Politechnika Radomska
Radom, ul. Malczewskiego 29
EGZEMPLARZ ROBOCZY DO PRZETWARZANIA
I AKTUALIZOWANIA ZAWARTOSCI
DLA CELOW DYDAKTYCZNYCH
Tytuł pracy:
Zabrania się kopiowania i rozpowszechniania pracy tak w całości
jak i fragmentach bez zgody prowadzącego prace
Prowadzący pracę:
Dr inŜ. Jerzy Szymański
Przetwarzanie:
od 2007.03.01
Ochrona przeciwporaŜeniowa
w instalacjach napędowych z przekształtnikami
energoelektronicznymi
-2-
SPIS TREŚCI
1.
WST
Ę
P .................................................................................................................................... 5
1.1.
PODSTAWY FORMALNE WYKONANIA PRACY.........................................................................................................................................................5
1.2.
CEL, CHARAKTERYSTYKA I ZAKRES PRACY...............................................................................................................................................................6
2.
OCHRONA PRZECIWPORA
ś
ENIOWA W INSTALACJACH Z URZ
Ą
DZENIAMI
ELEKTRYCZNYMI: ................................................................................................................. 7
2.1.
OGÓLNE KRYTERIA OCHRONY PRZECIW PORAśENIOWEJ PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM I PRZY DOTYKU
POŚREDNIM.....................................................................................................................................................................................................................................7
2.2.
ZADANIA OCHRONY PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM.........................................................................................................................10
2.3.
OCHRONA PRZY DOTYKU POŚREDNIM...................................................................................................................................................................13
2.4.
OCHRONA PRZECIWPORAśENIOWA POŚREDNIA (DODATKOWA) REALIZOWANA POPRZEZ SAMOCZYNNE
ODŁĄCZENIE NAPIĘCIA ZASILANIA..............................................................................................................................................................................18
2.4.1.
Wyłączniki nadprądowe a skuteczność ochrony przeciwporaŜeniowej........................................ 18
2.4.2.
Bezpieczniki topikowe a skuteczność ochrony przeciwporaŜeniowej........................................... 20
2.4.3.
Zasady doboru wyłącznika nadprądowego lub wkładki bezpiecznikoweji przykładowe obliczenia.
..................................................................................................................................................... 24
2.5.
LITERATURA DO ROZDZIAŁU...........................................................................................................................................................................................29
3.
EMC I HARMONICZNE PR
Ą
DU W INSTALACJACH Z NAP
Ę
DOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZ
Ę
STOTLIWO
Ś
CI............................................................................................................... 29
3.1.
OGÓLNE ZASADY BUDOWY UKŁADU NAPĘDOWEGO ZGODNEGO Z WYMOGAMI EMC...................................................29
3.1.4.
Uziemienie ................................................................................................................................... 30
3.1.5.
Ekranowanie ................................................................................................................................ 31
3.1.6.
Filtry ............................................................................................................................................ 32
3.1.7.
Dobór filtrów sieciowych ............................................................................................................. 35
3.2.
WPŁYW PARAMETRÓW SIECI ZASILANIA NA UKŁAD NAPĘDOWY.........................................................................................................36
3.2.1.
Definicje i miary jakości energii.................................................................................................. 36
3.2.2.
Główne przyczyny powstawania zniekształceń w liniach zasilających. ....................................... 37
3.2.3.
Wskaźniki charakteryzujące odkształcenia napięcia i prądu. ...................................................... 38
3.2.4.
Trójfazowy prostownik diodowy jako generator harmonicznych prądu ...................................... 46
3.2.5.
Skutki oddziaływania odkształconych przebiegów napięć i prądów sieci zasilania na pracę
układów napędowych ................................................................................................................... 48
3.3.
REALIZACJA WYMOGÓW EMC W INSTALACJACH NAPĘDOWYCH Z PRZEMIENNIKAMI NAPIĘCIOWYMI...............48
3.4.
ZGODNOŚĆ Z DYREKTYWĄ EMC 89/336/EWG.......................................................................................................................................................49
3.5.
LITERATURA DO ROZDZIAŁU...........................................................................................................................................................................................53
4.
PRZYKLADOWE ROZWI
Ą
ZANIA TECHNICZNE INSTALACJI PREMYSŁOWYCH Z
PRZEKSZTAŁTNIKAMI ........................................................................................................ 54
4.1.
BEZPIECZNA OBSŁUGA URZĄDZEŃ Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI ENERGOELEKTRONICZNYCMI.........................................54
4.2.
WARUNKI EKSPLOATACJI I KOMPATYBILNOŚCI URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRYCZNYCH..................................................58
-3-
4.2.6.
Warunki środowiskowe ................................................................................................................ 59
4.2.7.
Elektryczne warunki pracy i kompatybilność elektromagnetyczna .............................................. 62
4.2.8.
Zasilanie napięciem przemiennym przekształtników.................................................................... 62
4.3.
MODELE PRZEKSZTAŁTNIKÓW Z ODBIORNIKAMI..........................................................................................................................................67
4.4.
LITERUTURA DO ROZDZIAŁU..........................................................................................................................................................................................71
5.
ZABEZPIECZANIE SILNIKÓW ZASILANYCH Z PO
Ś
REDNICH PRZEMIENNIKÓW
CZ
Ę
STOTLIWO
Ś
CI .............................................................................................................. 71
5.1.
PRZEGLĄD ZABEZPIECZEŃ OBWODÓW SILNIKOWYCH.............................................................................................................................72
5.1.1.
Zabezpieczenie przed skutkami zwarć zewnętrznych ( w przewodach zasilających )[xx ]........... 72
5.1.2.
Zabezpieczenie przed przeciąŜeniem............................................................................................ 77
5.1.3.
Zabezpieczenie podnapięciowe (zabezpieczenie przed głębokim zapadem napięcia lub zanikiem
napięcia i jego powrotem)............................................................................................................ 86
5.1.4.
Zabezpieczenie przed niesymetrią napięciową i prądowa ........................................................... 87
5.1.5.
Zabezpieczenie przed niewłaściwą kolejnością faz ...................................................................... 87
5.1.6.
Zabezpieczenie nadprądowe niedomiarowe................................................................................. 87
5.1.7.
Inne zabezpieczenia ..................................................................................................................... 88
5.2.
WARUNKI PRACY SILNIKÓW ZASILANYCH Z POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI...............................88
5.3.
PROBLEMY ZASILANIA I ZABEZPIECZEŃ POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI.......................................93
5.4.
PROBLEMY KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ OBWODU WYJŚCIOWEGO...................................................98
5.5.
5.PROBLEMY OCHRONY PRZECIWPORAśENIOWEJ.....................................................................................................................................101
5.6.
LITERATURA DO ROZDZIAŁU........................................................................................................................................................................................106
6.
OCHRONA PRZECIWPORA
ś
ENIOWA INSTALACJI NAP
Ę
DOWYCH Z NAPI
Ę
CIOWYMI
PRZEMIENNIKAMI CZ
Ę
STOTLIWO
Ś
CI............................................................................ 107
6.1.
PRACA PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO W STANACH AWARYJNYCH............................................................................................107
6.2.
PRĄDY I NAPIĘCIA NA WEJŚCIACH I WYJŚCIACH MOCY PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO.............................................109
6.3.
PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI, A ZAGROśENIE PORAśENIEM.......................................................................................................110
6.4.
SYMULOWANIE NA STANOWISKU LABORATORYJNYM AWARYJNYCH STANÓW PRACY PRZEMIENNIKA
NAPIECIOWEGO W UKŁADZIE NAPĘDOWYM...................................................................................................................................................115
6.5.
PRZEBIEG BADAŃ SYMULACJNYCH.........................................................................................................................................................................119
6.6.
WNIOSKI Z SYMULACJI PRACY PROSTOWNIKA 3F6D JAKO OBWODU WEJŚCIOWEGO PRZEMIENNIKA
NAPIĘCIOWEGO......................................................................................................................................................................................................................122
6.7.
LITERATURA DO ROZDZIAŁU........................................................................................................................................................................................122
7.
BEZPIECZE
Ń
STWO U
ś
YTKOWANIA INSTALACJI PRZEMYSŁOWYCH Z
NAPI
Ę
CIOWYMI PRZEMIENNIKAMI CZ
Ę
STOTLIWO
Ś
CI W SIECIACH TN - S ............. 122
7.1.
NAPIĘCIOWY PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI I SIEĆ TN-S....................................................................................................................123
7.2.
BEZPIECZNA INSTALACJA ELEKTRYCZNA............................................................................................................................................................123
7.3.
CYFROWE PRZETWARZANIE MOCY A ZAPEWNIENIE BEZPIECZEŃSTWA.....................................................................................124
-4-
7.4.
ZWARCIE DOZIEMNE SILNIKA – PĘTLA ZWARCIA...........................................................................................................................................126
7.5.
INSTALACJA ELEKTRYCZNA ZGODNA Z EMC....................................................................................................................................................127
7.6.
ZNAK CE I OBOWIĄZEK PODANIA DOKŁADNYCH ZASAD BUDOWY INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ W DTR............128
7.7.
LITERATURA DO ROZDZIAŁU........................................................................................................................................................................................129
8.
ZAGRO
ś
ENIA BEZPIECZE
Ń
STWA W INSTALACJACH NAP
Ę
DOWYCH Z
NAPI
Ę
CIOWYMI PRZEMIENNIKAMI CZ
Ę
STOTLIWO
Ś
CI W SIECIACH IT..................... 129
8.1.
PRZEMIENNIKI NAPIĘCIOWE ZASILANE SIECIAMI IT...................................................................................................................................130
8.2.
NIEUZIEMIONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO PRZEMIENNIKA NIE OZNACZA BRAKU ZAGROśENIA
PORAśENIEM............................................................................................................................................................................................................................132
8.3.
WŁĄCZONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO PRZEMIENNIKA TO ZWIĘKSZONE ZAGROśENIE
PORAśENIOWE........................................................................................................................................................................................................................134
8.4.
WŁĄCZONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO PRZEMIENNIKA TO ZAGROśENIE USZKODZENIA
PRZEMIENNIKA PRZY DOZIEMIENIU FAZY NAPIĘCIA ZASILANIA.......................................................................................................136
8.5.
WSPÓLNA SIEĆ NAPIĘCIA STAŁEGO PRZEMIENNIKÓW NAPIĘCIOWYCH....................................................................................138
8.6.
PODSUMOWANIE..................................................................................................................................................................................................................140
8.7.
LITERATURA DO ROZDZIAŁU........................................................................................................................................................................................141
9.
BIBIOGRAFIA UZUPEŁNIAJ
Ą
CA...................................................................................... 142
-5-
1. WSTĘP
1.1. PODSTAWY FORMALNE WYKONANIA PRACY
Podstawy formalne wykonania pracy
Praca realizowana jest w ramach działalności statutowej IST. Praca
przewidziana jest jako wieloetapowa - dwuetapowa.
Niniejsze sprawozdanie obejmuje etap II, w którym poddano analizie
zagadnienia
bezpieczeństwa
uŜytkowania
i
ochrony
przeciwporaŜeniowej
przemysłowych niskonapięciowych napędów z napięciowymi przemiennikami
częstotliwości, określonych szczegółowo w dalszej części opracowania, gdzie główną
część
stanowi:
określenie
podstawowych
ź
ródeł
zwiększonego zagroŜenia
poraŜeniowego zaleŜnie od budowy urządzenia jak i instalacji elektrycznej oraz analiza
głównych kierunków rozwoju energoelektroniki, maszyn elektrycznych i napędów,
poprawiających bezpieczeństwo ich uŜytkowania.
Wprowadzenie
Notowany od wielu lat dynamiczny rozwój urządzeń energoelektronicznych jest
wspomagany w ostatnim okresie przez sterowanie komputerowe. Masowo są
produkowane urządzenia prostownikowe i falownikowe z tyrystorami klasycznymi,
tranzystorami IGBT i MOSFET oraz tyrystorami GTO.
Urządzenia energoelektroniczne słuŜą do przekształcania energii elektrycznej
prądu stałego i przemiennego, do sterowania jej przepływem oraz do celów
łączeniowych. Zmieniają one wartość i częstotliwość napięcia, dostosowując
parametry zasilania do aktualnych potrzeb odbiorników energii elektrycznej.
Do przekształcania energii są stosowane przyrządy półprzewodnikowe np.:
-
niesterowalne (diody),
-
półsterowalne (tyrystory klasyczne) w których steruje się tylko ich
załączaniem, -
w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO lub tranzystory IGBT),
pozwalające sterować ich załączaniem i wyłączaniem.
Do przekształtnika energia elektryczna jest doprowadzana zwykle z sieci
napięcia przemiennego o stałej częstotliwości (najczęściej 230/400 V) i następnie
przekształcana. Za pomocą układów prostowniczych energia moŜe być przekształcana
na energię prądu stałego, dzięki czemu uzyskujemy korzystniejsze wskaźniki w
porównaniu z prądem przemiennym. Przemienniki prądu stałego umoŜliwiają
przekształcanie energii źródła prądu stałego na inne nastawiane lub regulowane źródła
energii. Układy falownikowe słuŜą do przekształcania energii prądu stałego na energię
prądu przemiennego o stałej lub regulowanej częstotliwości i róŜnym napięciu.
Przemienniki prądu przemiennego są przede wszystkim przeznaczone do zmiany
-6-
częstotliwości, niekiedy z jednoczesną zmianą napięcia, gdy stosowane są w napędach
silników prądu przemiennego.
KaŜde urządzenie energoelektroniczne powinno być bezpieczne i nieuciąŜliwe
dla obsługi i otoczenia, w którym zostało zainstalowane i jest eksploatowane, zarówno
w stanie normalnej jego pracy jak i w stanach awaryjnych. Po uszkodzeniu izolacji na
częściach metalowych dostępnych dla obsługi nie powinno wystąpić napięcie
zagraŜające poraŜeniem elektrycznym. Dobór środków chroniących urządzenia naleŜy
prowadzić indywidualnie w zaleŜności od topologii układu, sposobu zasilania oraz
zastosowania.
Wymagania dotyczące bezpieczeństwa urządzeń energoelektronicznych są
uzaleŜnione od ich mocy i kwalifikacji personelu. Urządzenia większej mocy
(umownie przyjmuje się moc powyŜej 5kW) są adresowane do uŜytkowników
przemysłowych, którzy powinni znać zasady bezpiecznej pracy. W stosunku do
urządzeń energoelektronicznych mniejszej mocy, przewidywanych do stosowania
przez personel niewykwalifikowany, wymagania w zakresie bezpieczeństwa powinny
być zaostrzone. Ochrona przeciwporaŜeniowa dla obsługi oraz uŜytkowników
urządzeń i instalacji elektrycznych powinna być realizowana w taki sposób, aby w
przypadku róŜnorodnych uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz błędnych działań i
zachowań ludzi następowało:
-
niedopuszczenie
do
przepływu
przez
ciało
człowieka
prądu
powodującego poraŜenie;
-
ograniczenie prądu raŜeniowego;
-
ograniczenie czasu przepływu prądu raŜeniowego dzięki szybkiemu
wyłączeniu obwodu, w którym nastąpiło zagroŜenie poraŜeniem.
KaŜde wyprodukowane urządzenie energoelektroniczne powinno spełniać
określone wymagania co do parametrów znamionowych. Muszą teŜ być spełnione
zasady (ujęte w normach ogólnych) obowiązujące przy konstruowaniu urządzeń
elektrycznych i elektronicznych. Praktyka wykazuje, Ŝe zagadnienia związane z
bezpieczeństwem i kompatybilnością naleŜy rozpatrywać w okresie rozpoczynania
opracowań nowych urządzeń. Dopasowanie wykonanych układów do wymagań
bezpiecznej pracy urządzeń prowadzi do bardzo kosztownych rozwiązań.
W etapie pierwszym omówiono ogólne zagadnienia dotyczące ochrony
przeciwporaŜeniowej przemysłowych energoelektronicznych odbiorników energii
wynikające z dostępnej literatury i norm. Celem obecnego, drugiego etapu pracy jest
przedstawienie wybranych, istotnych dla zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa,
zagadnień budowy instalacji z energoelektronicznymi układami napędowymi
zasilanymi z sieci TN-S jak i IT, ze szczególnym uwzględnieniem zagroŜeń
wynikających z ich topologii i rodzajów wytwarzanych zaburzeń. Analizę teoretyczną
poparto badaniami symulacyjnymi i pomiarami.
1.2. CEL, CHARAKTERYSTYKA I ZAKRES PRACY
Celem pracy:
Ochrona przeciwporaŜeniowa w instalacjach
napędowych
z
przekształtnikami
energoelektronicznymi
,
jest
-7-
opracowanie koncepcji i wykonanie badań symulacyjnych określających własności
instalacji zasilania przemienników częstotliwości w układach napędowych w aspekcie
bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Analizowana jest zarówno sieć TN, jak i IT.
Zasilanie niskim napięciem, napięcie fazowe do 0,6kV, jest powszechnie stosowane w
napędach przemysłowych z silnikami małych i średnich mocy. Zagadnienia właściwie
realizowanej ochrony przeciwporaŜeniowej mają w tych aplikacjach podstawowe
znaczenie. Jednak bezpieczeństwo eksploatacyjne jest tu rozumiane takŜe jako
działania techniczne nie prowadzące do nieuzasadnionych wyłączeń napędu i nie
powodujące uszkodzeń wewnętrznych przekształtników.
Przy czym przemiennik częstotliwości powinien charakteryzować się
maksymalnie duŜą sprawnością w całym zakresie regulacji częstotliwości i pobierać z
sieci jedynie moc czynną.
Poszukiwane są moŜliwości ograniczenia oddziaływania przemienników
częstotliwości na sieć zasilania wywołujące niewłaściwą pracę technicznych środków
ochrony przeciwporaŜeniowej i współprace z nimi silnik. (I etap pracy). Analiza
stanów pracy awaryjnej i bezpieczeństwa eksploatacyjnego instalacji napędowych z
przemiennikami napięciowymi (II etap).
2. OCHRONA PRZECIWPORAśENIOWA W INSTALACJACH
Z URZĄDZENIAMI ELEKTRYCZNYMI:
Aktualna sytuacja prawna z komentarzem do obowi
ą
zuj
ą
cych norm
technicznych.
Techniczne
i
organizacyjne
ś
rodki
ochrony
przeciwpora
Ŝ
eniowej w ró
Ŝ
nych systemach zasilania
2.1. OGÓLNE
KRYTERIA
OCHRONY
PRZECIW
PORAśENIOWEJ PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM I PRZY
DOTYKU POŚREDNIM.
Przyczyny zagro
Ŝ
enia pora
Ŝ
eniem elektrycznym i sposoby zapobiegania tym
zagro
Ŝ
eniom.
Prąd elektryczny przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia, zwany
prądem raŜeniowym, moŜe wywołać skutki patofizjologiczne groźne dla zdrowia, a
nawet Ŝycia raŜonego.
Przyczyną przepływu prądu raŜeniowego jest dotknięcie przez raŜonego dwóch
części przewodzących o róŜnych potencjałach. Zwykle są to: części urządzenia
elektrycznego i część przewodząca obca mająca potencjał ziemi.
RozróŜnia się przy tym dwie sytuacje:
•
dotknięcie przez człowieka (zwierzę) części czynnej urządzenia elektrycznego,
która znajduje się pod napięciem roboczym sieci (przyczyna zwana dotykiem
bezpośrednim),
•
dotknięcie przez człowieka (zwierzę) części przewodzącej dostępnej, która
znalazła się pod napięciem, zwanym napięciem dotykowym, w wyniku
-8-
uszkodzenia izolacji urządzenia elektrycznego (przyczyna zwana dotykiem
pośrednim).
Aby zapobiec poraŜeniom elektrycznym w instalacjach elektrycznych stosuje
się środki ochrony przeciwporaŜeniowej. Wymagane rozwiązania techniczne tych
ś
rodków zaleŜą od stopnia zagroŜenia poraŜeniowego.
Stopień zagroŜenia poraŜenia elektrycznego zaleŜy od:
prawdopodobieństwa znalezienia się człowieka pod napięciem, w wyniku
którego nastąpi raŜenie.
parametrów prądu raŜeniowego.
W praktyce przyjmuje się, Ŝe na dobór środków ochrony przeciwporaŜeniowej
mają wpływ:
•
sposób uŜytkowania odbiorników elektrycznych,
•
kwalifikacje osób uŜytkujących instalacje i urządzenia elektryczne,
•
styczność ludzi z potencjałem ziemi,
•
rezystancja ciała człowieka.
Zale
Ŝ
nie od rodzaju i sposobu u
Ŝ
ytkowania odbiornika elektrycznego mo
Ŝ
na
stosowa
ć
zarówno techniczne jak i/lub organizacyjne
ś
rodki ochrony
przeciwpora
Ŝ
eniowej.
-9-
Wymagania obowi
ą
zuj
ą
cej obecnie normy PN-IEC 60364 oraz innych aktów
prawnych dotycz
ą
ce zasad stosowania
ś
rodków ochrony przeciwpo
Ŝ
arowej
oparte zostały na strukturze trójstopniowej.
1
OCHRONA PRZED DOTYKIEM BEZPOŚREDNIM
(OCHRONA PODSTAWOWA)
Uszkodzenie izolacji przewodu:
Części czynne do stępne dla dotyku:
Uszkodzenie trudne do rozpoznania
Uszkodzenie łatwe do rozpoznania
2
OCHRONA PRZY DOTYKU POŚREDNIM
(OCHRONA DODATKOWA)
Środki ochrony przy dotyku
pośrednim (techniczne środki ochrony)
Staranna praca w pobliŜu części
czynnych (orranizacyjne środki ochrony)
Niebezpiecze
ń
stwo przy uszkodzeniu
ś
rodka
ochrony
Niebezpiecze
ń
stwo przy nieuwadze
3
OCHRONA UZUPEŁNIAJĄCA
Wył
ą
cznik ró
Ŝ
nicowopr
ą
dowy I
∆
n
? 30mA
Poł
ą
czenia wyrównawcze
Rys.2.1. Zasada
realizacji
trójstopniowej
ochrony
przeciwpora
Ŝ
eniowej
w
instalacjach
elektrycznych niskiego napi
ę
cia[1].
Trójstopniową strukturę ochrony przeciwpoŜarowej tworzą:
- ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa),
- ochrona przy (przed) dotyku pośrednim (ochrona dodatkowa),
- ochrona uzupełniająca ochronę bezpośrednią lub pośrednią.
-10-
Ochrona uzupełniająca środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim nie jest
obowiązkowa i moŜe polegać na zastosowaniu wysokoczułego wyłącznika
róŜnicowoprądowego.
Nie moŜe on być samodzielnym środkiem ochrony przed dotykiem, gdyŜ nie
spełnia wymagań stawianych takiej ochronie (nie zapobiega dotknięciu części
czynnych i nie ogranicza prądu raŜeniowego), ale skutecznie moŜe wyłączać
zasilanie, gdy człowiek dotknie części czynnej lub obcej przewodzącej na której
pojawiło się napięcie wyŜsze niŜ dopuszczane długotrwale wskutek uszkodzenia
odbiornika.
Taki środek uzupełniający zaleca się stosować tylko wtedy, gdy dotknięcie części
czynnych jest prawdopodobne (np. przy pracach remontowych lub pracach w
pobliŜu nieosłoniętych części czynnych).
Stosowanie takiego środka ochrony nie powinno powodować wyłączania
urządzenia przy wystąpieniu innych zdarzeń nie związanych z ochroną
przeciwporaŜeniową, bez sygnalizowania przyczyny wyłączenia (np. przy
stosowaniu wysokoczułych wyłączników róŜnicowoprądowych typu AC lub A w
obwodach zasilania odbiorników energoelektronicznych).
Ochrona uzupełniająca środki ochrony przy dotyku pośrednim moŜe być
stosowana, gdy właściwe środki ochrony przy dotyku pośrednim nie zapewniają
pełnej ochrony. Środkiem takiej ochrony przeciwpoŜarowej są np. połączenia
wyrównawcze (wyrównujące potencjały części, których moŜe jednocześnie dotknąć
człowiek). Połączenia wyrównawcze nie mogą samodzielnie stanowić środka
ochrony przy dotyku pośrednim, gdyŜ nie spełniają wymagań stawianych takim
ś
rodkom.
2.2. ZADANIA
OCHRONY
PRZED
DOTYKIEM
BEZPOŚREDNIM
Dla zabezpieczenia ludzi przed skutkami dotyku bezpośredniego wymagane jest
stosowanie ochrony w postaci odpowiednich środków technicznych.
Ochrona przed dotykiem bezpośrednim spełnia swoje zadania, jeŜeli:
•
uniemoŜliwia przepływ prądu elektrycznego przez ciało człowieka
(uniemoŜliwia dotknięcie takich części), gdy instalacja pracuje normalnie
(nie jest uszkodzona) lub
•
ogranicza wartość prądu raŜeniowego do wartości nie stwarzającej
zagroŜenia dla zdrowia lub Ŝycia, gdy w warunkach normalnej pracy
instalacji człowiek moŜe dotknąć części czynnej.
-11-
Zasady i ogólne kryteria skuteczności ochrony uniemoŜliwiającej dotyk
bezpośredni.
UniemoŜliwienie przepływu prądu przez ciało człowieka jest sposobem
ochrony przed dotykiem bezpośrednim wszędzie tam, gdzie dla zasilania
odbiorników elektrycznych nie jest moŜliwe zastosowanie sieci i instalacji o
napięciu znamionowym nie stwarzającym zagroŜenia zdrowia lub Ŝycia. Dla
realizacji tego celu wymaga się stosowania środków technicznych oddzielających
części czynne od człowieka. Oddzielenie to powinno zapobiegać zarówno
niezamierzonemu, jak i zamierzonemu dotykowi bezpośredniemu.
Od tej zasady dopuszcza się odstępstwa w miejscach wydzielonych dla
celów elektroenergetycznych, tzn. w miejscach, w których przebywać mogą jedynie
osoby posiadające odpowiednie kwalifikacje i spełnione są dodatkowe wymagania.
W takich miejscach dopuszcza się stosowanie technicznych środków ochrony przed
dotykiem bezpośrednim jedynie uniemoŜliwiających dotyk niezamierzony.
Ochrona zarówno przed niezamierzonym, jak i zamierzonym dotknięciem
części czynnych realizowana jest przez zastosowanie izolacji podstawowej lub/i
zastosowanie obudowy lub ogrodzenia części czynnych (obudowę i ogrodzenie moŜna
określić jednym, bardziej ogólnym terminem - przegroda).
Izolacja podstawowa powinna obejmować całą dostępną powierzchnie
części czynnej, mieć odpowiednią do napięcia znamionowego urządzenia
wytrzymałość elektryczną i odporność na naraŜenia środowiskowe występujące w
miejscu eksploatacji urządzenia. Usunięcie takiej izolacji moŜe być moŜliwe tylko
przez jej zniszczenie.
Obudowy i ogrodzenia (przegrody) powinny być oddalone do części
czynnych odpowiednio do napięcia znamionowego urządzenia i rodzaju zastosowanej
izolacji roboczej. Powinny zapewniać stopień ochrony przed dotykiem zaleŜny od
prawdopodobieństwa takiego zdarzenia. Zwykle wymaga się, aby obudowa lub
ogrodzenie uniemoŜliwiały dotknięcie części czynnych palcem (stopień ochrony, co
najmniej IP2X). Gdy wymagają tego normalne procesy wymiany części lub łączenia
bezprądowego (np. wymiana bezpiecznika, wymiana źródła światła, łączenie przez
gniazdko wtykowe), dopuszczony jest niŜszy stopień ochrony, ustalony dla właściwego
funkcjonowania urządzenia w normie na wyrób. Obudowy, które chronią przed
dotykiem części czynnych od góry, powinny mieć stopień ochrony uniemoŜliwiający
dotknięcie części czynnych za pośrednictwem drutu (stopień, co najmniej IP4X).
Obudowy i ogrodzenia stosowane dla celów ochrony przed dotykiem
bezpośrednim powinny być trwale zamocowane, mieć dostateczną stabilność i
trwałość, zapobiegającą utrzymanie wymaganego stopnia ochrony w warunkach, w
których są one eksploatowane. Usunięcie części lub całej przegrody powinno być
moŜliwe tylko przy zastosowaniu specjalnych narzędzi lub po dodatkowym osłonięciu
części czynnych albo po wyłączeniu napięcia.
Ochrona zapobiegająca jedynie niezamierzonemu dotknięciu części
czynnych jest realizowana przez zastosowanie środków technicznych w postaci barier
(poprawniej - przeszkód) lub umieszczenia części czynnych w odpowiedniej odległości
(w róŜnych kierunkach) od dostępnych stanowisk.
-12-
W pierwszym przypadku wymagania powinny ograniczać się do podania
wysokości przeszkód i konieczności zastosowania zabezpieczeń uniemoŜliwiających
niezamierzone ich usunięcie. W drugim przypadku podawane są minimalne odległości
od dostępnych stanowisk. Wynoszą one dla drogi ręka-stopy: 1,25 m w poziomie i w
dół od brzegu stanowiska, 2,5 m w górę od stanowiska i 0,75 m poziomo pod
stanowiskiem, (jeŜeli takie moŜliwości występują). Dla drogi raŜenia ręka-ręka
odległość ta wynosi 2 m.
Ochrona taka ma ograniczony zakres stosowania. Stosować ją moŜna [2,4,5]
jedynie w miejscach, w których przebywają tylko osoby poinstruowane (BA4) lub
wykwalifikowane (BA5) i jeŜeli jednocześnie w miejscach tych spełnione są
następujące warunki:
•
napięcie znamionowe urządzeń nie przekracza II zakresu napięciowego,
•
zachowane są minimalne wymiary korytarzy nadzoru i korytarzy obsługi oraz
dostęp do tych korytarzy,
•
zastosowano przejrzyste i widoczne oznakowania odpowiednimi tablicami i
znakami bezpieczeństwa.
Zasady i ogólne kryteria skuteczno
ś
ci ochrony ograniczaj
ą
cej warto
ść
pr
ą
du
ra
Ŝ
eniowego przy dotyku bezpo
ś
rednim.
Ochrona ograniczająca wartość prądu raŜeniowego do wartości uznanej za
dopuszczalną moŜe być realizowana jedynie przez ograniczenie napięcia
znamionowego urządzeń elektrycznych przy jednoczesnym spełnieniu wymagań
dodatkowych prowadzących do pewnego odseparowania obwodów bardzo niskiego
napięcia od obwodów wyŜszych napięć. Zakres ograniczenia napięcia powinien przy
tym zaleŜeć od warunków środowiskowych wpływających na stopień zagroŜenia
poŜarowego. Ochrona taka wymaga stosowania napięć prądu przemiennego 25 V, 12
V, lub 6 V lub napięć prądu stałego 60 V, 30 V lub 15 V.
Przypadki, w których dopuszcza si
ę
niestosowanie ochrony przed dotykiem
bezpo
ś
rednim.
Dopuszcza się stosowanie technicznych środków ochrony przed dotykiem
bezpośrednim, jeŜeli urządzenia elektryczne są dostępne jedynie dla osób
poinstruowanych (BA4) lub wykwalifikowanych (BA5), naleŜycie zaznajomionych w
zakresie szczegółowych wymagań i jeŜeli jednocześnie są spełniane następujące
warunki:
- miejsca te są w sposób przejrzysty i widoczny oznakowane odpowiednimi
tablicami i znakami bezpieczeństwa,
- dostęp do tych miejsc jest moŜliwy tylko przy uŜyciu specjalnych narzędzi
lub urządzeń,
- drzwi wejściowe do zamykanych pomieszczeń ruchu elektrycznego
umoŜliwiają łatwe wyjście na zewnątrz i otwierają się na zewnątrz bez uŜycia
klucza, nawet, jeŜeli są one zamykane na klucz,
- wymiary korytarzy spełniają wymagania normy PN-IEC 364-4-481 [3].
-13-
2.3. OCHRONA PRZY DOTYKU POŚREDNIM
Ogólne kryteria skuteczności ochrony przy dotyku pośrednim.
Dla zabezpieczenia ludzi przed skutkiem dotyku pośredniego powinny być
stosowane środki techniczne, które:
•
powodują samoczynne odłączenie zasilania w wymaganym czasie, gdy prąd
raŜeniowy przekracza wartość przyjętą za dopuszczalną długotrwale (AC-
30mA),
•
uniemoŜliwiają
przepływ
prądu
raŜeniowego
przy
dotyku
części
przewodzących dostępnych i obcych lub
•
ograniczają przy dotyku pośrednim prąd raŜeniowy do wartości przyjętej za
dopuszczalną długotrwale.
Zasady i kryteria skuteczności ochrony przez samoczynne wyłączenie
zasilania.
Najczęściej stosowaną ochroną przed dotykiem pośrednim jest ochrona przez
samoczynne wyłączanie zasilania. Polega ona na połączeniu części przewodzących
dostępnych z przewodem ochronnym PE dla stworzenia pętli zwarcia o impedancji
skoordynowanej z charakterystyką zwarciową zabezpieczenia uszkodzonego obwodu
(obwodu, w którym powstało zagroŜenie). Ochrona przez samoczynne włączanie
zasilania wymaga, więc skoordynowanego typu układu sieciowego (systemu
stosowanych w sieci uziemień), zakresu zastosowania i parametrów przewodów
ochronnych oraz niektórych uziemień z zastosowanymi zabezpieczeniami obwodu
uszkodzonego. Ale nie jest to warunek wystarczający, aby uznać ochronę za skuteczną.
Norma PN-IEC 60364-4-41 wymaga, aby ochrona przez samoczynne wyłączanie
zasilania spełnia wymagania dotyczące:
•
wyłączanie zasilania,
•
uziemień przewidzianych dla rozpatrywanego typu układu sieciowego,
•
połączeń wyrównawczych.
Samoczynne wyłączanie zasilania obwodu, w którym powstało uszkodzenie
izolacji między częścią czynną i częścią przewodzącą dostępną lub przewodem
ochronnym tego obwodu, powinno nastąpić, gdy napięcie między tymi częściami a
stanowiskiem w odległości poziomej równej 1 m, zwanym napięciem dotykowym,
przekroczy wartość dopuszczalną długotrwale U
L
. Czas samoczynnego wyłączania
powinien być tym krótszy, im napięcie dotykowe jest większe, tzn. im napięcie
dotykowe jest większe od wartości U
L
. W warunkach normalnego zagroŜenia
poraŜeniowego U
L
wynosi 50 V a.c. lub 120 V d.c. w warunkach zwiększonego
zagroŜenia poraŜeniowego ( w warunkach, w których instalacje powinny spełniać
-14-
wymagania części 7 normy PN-IEC 60364, napięcia U
L
mogą mieć wartość 25 V a.c.
lub 60 V a.c., a nawet 12 V a.c. lub 30 V d.c.).
L1
L2
L3
TN-S
TN-C
L1
L2
L3
N
PE
TN-C-S
L1
L2
L3
PEN
PE
N
Rys.2.2. Schematy stosowanych układów sieci TN (TN-C; TN-S; TN-C-S), TT oraz IT.
L1, L2, L3 – przewody fazowe; N – przewód neutralny; PE – przewód ochronny; PEN –
przewód ochronno-neutralny; Z – impedancja; lini
ą
przerywan
ą
oznaczono dost
ę
pne
cz
ęś
ci przewodz
ą
ce obudowy.
-15-
NajdłuŜsze czasy samoczynnego wyłączania zasilania uszkodzonego obwodu są
równieŜ uzaleŜnione od: typu sieci rys.2.2, napięcia znamionowego sieci, sposobu
uŜytkowania urządzeń i wartości U
L
.
W układzie TN maksymalne czasy wyłączania obwodów odbiorczych,
zasilających bezpośrednio lub za pośrednictwem gniazd wtyczkowych urządzenia I
klasy ochronności (izolacja obudowy jedynie podstawowa dołączona do zacisku PEN -
sieć TN-C lub PE - sieć TN-S) ręczne lub przenośne do ręcznego przemieszczania w
czasie ich obsługi zestawiono w tab. 2.1.
Tab.2.1. Maksymalne czasy wył
ą
czania obwodów zasilaj
ą
cych urz
ą
dzenia I klasy,
r
ę
czne lub przeno
ś
nych do r
ę
cznego przemieszczania w czasie obsługi,
zasilanych z obwodu pracuj
ą
cego w układzie TN.
Maksymalny czas wyłączania (s)
Napięcie znamionowe obwodu
względem ziemi U
o
(V)
U
L
= 50 V
U
L
= 25 V
120
0,8
0,35
230
0,4
0,20
277
0,4
0,20
400
0,2
0,05
400, 480
0,1
0,05
580
0,1
0,02
1)
1)
JeŜeli nie moŜna zapewnić takiego czasu wyłączania, konieczne jest zastosowanie innych środków ochrony ( np.
połączeń wyrównawczych)
Dopuszcza się, aby czasy samoczynnego wyłączania zasilania były dłuŜsze od
podanych w tab. 2.1., lecz nie przekraczały 5 s w obwodach:
•
rozdzielczych,
•
odbiorczych zasilających urządzenia stacjonarne, jeŜeli inne obwody
odbiorcze, dla których czas wyłączania podano w tab. 1., są przyłączone do
wspólnej rozdzielnicy w sposób spełniający jeden z następujących warunków:
o
impedancja obwodu między rozdzielnicą i punktem, w którym przewód
ochronny jest przyłączony do górnej szyny uziemiającej, nie przekracza
wartości podanej w RN-60364-4-41 [2] (spadek napięcia nie przekracza
wartości U
L
) lub
o
w rozdzielnicy znajdują się połączenia wyrównawcze miejscowe,
przyłączone do tych samych części przewodzących obcych, co
połączenia wyrównawcze główne.
JeŜeli z rozdzielnicy zasilane są obwody odbiorcze odbiorników stacjonarnych
i odbiorników ręcznych i podobnych oraz nie moŜna spełnić wymagań zaznaczonych
wyŜej kropkami, to dla odbiorników stacjonarnych naleŜy zastosować czas wyłączenia
zasilania taki sam, jak dla odbiorników ręcznych.
Dla uzyskania wymaganego czasu wyłączania konieczne jest spełnianie
warunku:
TN
Z
S
x I
a
≤
U
0
[ 2.1 ]
-16-
w którym:
Z
S
impedancja obwodu zwarcia jednofazowego, w Ω,
I
a
prąd wyłączający (powodujący samoczynne wyłączanie zasilania w
wymaganym czasie), w [A],
U
O
napięcie znamionowe względem ziemi, w [V].
W układzie TT maksymalny czas samoczynnego wyłączania zasilania wynosi
5 s przy stosowaniu bezpieczników lub czas zadziałania zabezpieczenia
bezzwłocznego.
Dla uzyskania wymaganego czasu samoczynnego wyłączania zasilania
konieczne jest spełnienie warunku:
TT
R
A
x I
a
≤
U
L
[ 2.2 ]
w którym:
R
A
– rezystancja bezpośredniego uziemienia części przewodzącej dostępnej
stwarzającej zagroŜenie, w Ω
I
a
– prąd wyłączający, w A,
U
L
- największe dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe, w V.
W układzie IT, przy pojedynczym zwarciu z ziemią, ze względu na małą
wartość prądu doziemnego, zwykle napięcie dotykowe nie przekracza wartości
dopuszczalnej długotrwale U
L
. Aby być pewnym, Ŝe tak będzie, zawsze wystarczy
spełnić warunek (2.2), przy czym obliczana rezystancja R
A
dla układu IT jest znacznie
większa od obliczanej dla układu TT. Ten warunek jest w rzeczywistości
wystarczający, jeŜeli nie dopuści się do powstania zwarcia podwójnego (np. poprzez
zwarcie pojedyncze będzie sygnalizowane i w moŜliwie krótkim czasie wyłączone).
JeŜeli moŜliwe jest wystąpienie zwarcia podwójnego, wymagane jest samoczynne
wyłączenie zasilania obwodu zwarciowego w czasie odczytanym z tab. 2.2.
Tab.2.2. Maksymalne czasy samoczynnego wył
ą
czania zasilania obwodów zwar
ć
podwójnych w układach IT
Maksymalny czas włączania (s)
w sieci bez przewodu neutralnego
w sieci z przewodem neutralnym
U
o
/U
(V)
U
L
= 50 V
U
L
= 25 V
U
L
= 50 V
U
L
= 25 V
120/240
0,8
0,4
5,0
1,0
230/400
0,4
0,2
0,8
0,5
400/690
0,2
0,06
0,4
0,2
580/1000
0,1
0,02
1)
0,2
0,08
1)
JeŜeli nie moŜna zapewnić takiego czasu wyłączania, konieczne jest zastosowanie innych środków ochrony, np. połączeń
wyrównawczych. U
o
– napięcie fazowe, U – napięcie międzyfazowe.
Dla uzyskania wymaganego czasu samoczynnego wyłączenia zasilania przy
zwarciach podwójnych naleŜy spełnić warunki:
-
jeŜeli nie jest stosowany przewód neutralny
-17-
IT
a
O
SP
I
U
Z
⋅
⋅
≤
2
3
[ 2.3 ]
-
jeŜeli jest stosowany przewód neutralny
IT
a
O
SP
I
U
Z
⋅
≤
2
[ 2.4 ]
w których: U
0
i I
a
oznacza, jak we wzorach [2.1] i [2.2], napięcie względem
ziemi i prąd wyłączający, a Z
SP
– impedancja nie całego obwodu zwarcia podwójnego,
a jedynie impedancja części tego obwodu obejmująca odpowiednio przewód fazowy i
przewód ochronny obwodu lub przewód neutralny i ochronny obwodu.
Wykonanie uziemień, niezbędnych dla pozytywnej oceny ochrony przez
samoczynne wyłączanie zasilania, powinno doprowadzić do sytuacji, w której
wszystkie części przewodzące dostępne będą miały potencjał zbliŜony do potencjału
ziemi. Dlatego dostępne części przewodzące powinny być połączone uziemionym
przewodem ochronnym PE w sposób określony dla kaŜdego typu układu sieciowego.
RozróŜnia się przy tym dwa typy uziemień, oznaczonych symbolami R
B
i R
A
.
Uziemienia R
B
(uziemienia punktów neutralnych sieci i przewodów PEN oraz PE w
sieci typu TN) nie są elementami właściwego obwodu zwarciowego, a słuŜą głównie
do przeniesienia potencjału ziemi na przewody PE zarówno w warunkach normalnej
pracy urządzeń elektrycznych, jak i przy uszkodzeniu ich izolacji. Wyjątkiem od tej
reguły jest uziemienie punktu neutralnego oznaczone R
B
w układzie TT oraz
uziemienie tego punktu w układzie TN, gdy wystąpi zwarcie doziemne z pominięciem
przewodu PEN lub PE. Uziemiony R
A
(uziemienia bezpośrednie części
przewodzących dostępnych) są elementami obwodu zwarciowego w sieciach
(obwodach) TT i IT przy pojedynczych uszkodzeniach izolacji i ich rezystancja musi
być ograniczona w stopniu pozwalającym zabezpieczeniom obwodu wyłączać
samoczynnie zasilanie w wymaganym czasie.
Uziemienia przewodów PEN i PE w sieciach typu TN powinny być
wykonywane moŜliwie często, szczególnie gdy nie wymaga to ponoszenia znacznych
kosztów.
Stosowanie połączeń wyrównawczych ma na celu zmniejszyć róŜnice
potencjałów między róŜnymi częściami obcymi i przewodem ochronnym w całych
budynkach oraz dodatkowo w niektórych ich częściach, a takŜe ograniczyć napięcia
dotykowe jeŜeli przekraczają wartości dopuszczalne długotrwale i nie moŜna wyłączyć
w wymaganym czasie odbiorników powodujących ich powstanie. Taką sytuację mogą
wywołać
prądy
upływu
pojemnościowego
pracujących
urządzeń
energoelektronicznych mocy, np. energoelektroniczne przemienniki częstotliwości w
napędach silników klatkowych.
Omówienie znaczenia i wymagań stawianych połączeniom wyrównawczym
powinno być omówione oddzielnie, gdyŜ jest to temat obszerny.
-18-
Ochrona uniemoŜliwiająca przepływ prądu raŜeniowego przy dotyku
pośrednim.
Ochrona polegająca na uniemoŜliwieniu przepływu prądu raŜeniowego przy
dotyku części przewodzących dostępnych polega w praktyce na doprowadzaniu do
znacznego zmniejszenia prawdopodobieństwa uszkodzenia izolacji między częściami
czynnymi i częściami przewodzącymi dostępnymi. Uzyskuje się to głównie przez
zwiększenie wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej tej izolacji oraz przez
odseparowanie obwodów i urządzeń odbiorczych od innych obwodów, z których
mogłyby być przeniesione niebezpieczne napięcie. Są techniczne środki stosowane
ochrony dla pojedynczych urządzeń i obwodów, choć zapewniają wysoki stopień
bezpieczeństwa elektrycznego, zastosowanie ich w całej sieci byłoby kosztowne.
Ochrona przez ograniczanie prądu raŜeniowego przy dotyku pośrednim polega
na wtrąceniu w spodziewany obwód raŜeniowy dodatkowych rezystancji i ewentualnie
wyrównanie potencjałów, gdy zagroŜenie wystąpi na innej od spodziewanej drogi
raŜenia. Zwykle rezystancją taką jest dodatkowa rezystancja stanowiska, łączy się ją
połączeniami wyrównawczymi części jednocześnie dostępne na drodze ręka-ręka.
Powierzchnie stanowiące dodatkowe rezystancje muszą spełniać wymagania dotyczące
ich wartości przez cały czas stosowania (50kΩ w instalacjach o fazowym napięciu
znamionowym nie przekraczającym 500V i 100kΩ w instalacjach o napięciu powyŜej
500V).
Ochrona przez ograniczenie prądów raŜeniowych stosowana jest tylko w
ograniczonym zakresie, gdyŜ dopuszcza ona do powstania napięcia U
ST
i nie likwiduje
tego napięcia, a uzyskanie trwałości parametrów elektrycznych i mechanicznych
powierzchni, które mają zachować wysoką rezystancję jest często trudne w praktyce.
Napięcie pomiędzy izolowanym stanowiskiem a uziomem moŜe być znaczącą wartość,
dlatego naleŜy zachować szczególną ostroŜność przy wchodzeniu lub opuszczaniu
takiego stanowiska przez pracownika.
2.4. OCHRONA
PRZECIWPORAśENIOWA
POŚREDNIA
(DODATKOWA) REALIZOWANA POPRZEZ SAMOCZYNNE
ODŁĄCZENIE NAPIĘCIA ZASILANIA.
2.4.1. W
YŁĄCZNIKI
NADPRĄDOWE
A
SKUTECZNOŚĆ
OCHRONY
PRZECIWPORAśENIOWEJ
.
W instalacjach elektrycznych w przypadku pojawienia się na obudowie
urządzenia napięcia mogącego doprowadzić do poraŜenia prądem elektrycznym, tj.
wyŜszego od dopuszczalnego długotrwale napięcia dotykowego U
L
, mamy do
czynienia ze zwarciem o pomijalnej impedancji pomiędzy przewodem fazowym a
przewodem ochronnym lub obudową. Z takim przypadkiem moŜemy mieć do
czynienia w dowolnym miejscu instalacji. Płynący na skutek zwarcia prąd musi spełnić
warunek samoczynnego wyłączenia napięcia w odpowiednim czasie. Do wyłączenia
prądów zwarciowych słuŜą między innymi, popularne elektromagnetyczne wyłączniki
-19-
instalacyjne natychmiastowego działania typu S300, S310, S320 produkcji Legrand
FAEL [3].
Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników nadprądowych.
Aby
nastąpiło
samoczynne
wyłączenie
zasilania
przez
urządzenie
przetęŜeniowe (S300, S310, S320), ich charakterystyki działania muszą być właściwie
dobrane na etapie projektowym. Dotyczy to szczególnie wartości prądów zadziałania
wyzwalaczy bezzwłocznych. Dobranie do instalacji aparatu nadprądowego wiąŜe się
ś
ciśle z jego charakterystyką czasowo-prądową. Na podstawie ww. charakterystyk
moŜna określić współczynnik stosowany przy sprawdzeniu skuteczności działania
zastosowanego zabezpieczenia bezzwłocznego w instalacji.
Tab.2.3. Wymagania stawiane wyzwalaczom wył
ą
czników nadpr
ą
dowych
przez PN-IEC 60898.
P
r
ó
b
a
Typ
wyłącznika
Prąd
probierczy
Warunki
początkowe
Granice czasu
zadziałania
lub niezadziałania
Wynik
próby
Uwagi
1
B,C,D
1,13 I
n
stan zimny
t ≥ 1 h (dla I
n
≤ 63A)
t ≥ 2 h (dla I
n
> 63A)
bez zadziałania
2
B,C,D
1,45 I
n
bezpośrednio
po próbie 1
t ≥ 1 h (dla I
n
≤ 63A)
t ≥ 2 h (dla I
n
> 63A)
zadziałanie
prąd zwiększany
płynnie przez 5s
3
B,C,D
2,55 I
n
stan zimny
1 s < t < 60 s
(dla I
n
≤ 32A)
1 s < t < 120 s
(dla I
n
> 32A)
zadziałanie
4
B
C
D
3 I
n
5 I
n
10 I
n
stan zimny
t ≥ 0,1 s
bez zadziałania
prąd płynący po
zamknięciu obwodu
łącznikiem
pomocniczym
5
B
C
D
5 I
n
10 I
n
20 I
n
stan zimny
t < 0,1 s
zadziałanie
prąd płynący po
zamknięciu obwodu
łącznikiem
pomocniczym
Na rys. 2.3 przedstawiono przykładowe charakterystyki prądowo czasowe
wyłączników nadprądowych natychmiastowego działania. Oś A przedstawia czas
zadziałania wyłącznika przy określonej krotności prądu nominalnego przepływającego
przez wyłącznik przedstawionego na osi B. Natychmiastowe zadziałanie wyłącznika
nastąpi odpowiednio przy prądach ok. 19I
N
i 23I
N
. Są to wyłączniki innego rodzaju,
wykonane nie wg normy PN-IEC 60898, tab. 2.3. Są to charakterystyki wyłączników
typu D.
-20-
10000
1h
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
A
B
0,8
1
2
4 6
10
20
40 60 100
2
B
A
10000
2h
1h
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,8 1
2
3 4 5 7 10
20 30
50 70 100
Rys.2.3. Wykresy przedstawiaj
ą
charakterystyki wyzwalania wył
ą
czników nadpr
ą
dowych, które
mo
Ŝ
na stosowa
ć
do zabezpieczenia silników.
Norma PN-IEC 60898 nie jest wprowadzona odpowiednim aktem prawnym do obowiązkowego stosowania,
dlatego moŜna takŜe stosować wyłączniki o innych charakterystykach, jeśli zapewniają skuteczniejszą
ochronę niŜ wykonane zgodnie z cytowaną normą.
Rodzaje i dobór wyłącznika nadprądowego.
Podstawę odniesienia w tym przypadku stanowi norma PN-IEC 60898
(tab. 2.3), która w przedstawia zaleŜności czasowo-prądowe wyzwalaczy zwłocznych i
bezzwłocznych wyłączników nadprądowych, wykonanych na prądy do 125A.
Informacje zawarte w tab. 2.3 dotyczą wyłączników nadprądowych o dwóch rodzajach
wyzwalaczy. Pierwszy z nich jest rodzajem wyzwalacza przeciąŜeniowego, tzw.
zwłocznego, wykorzystującego w działaniu fizyczne właściwości bimetalu. Drugi
naleŜy do wyzwalaczy zwarciowych, bezzwłocznych, opartych na pracy
elektromagnesu. Na podstawie danych z tabeli moŜna wykreślić przebieg
charakterystyki czasowo-prądowej pasmowej wyłączników. Przy doborze wyłącznika
natychmiastowego działania B, C lub D naleŜy kierować się zasadą, aby przy
wystąpieniu prądu zwarciowego, impedancja zwarciowa umoŜliwiła przepływ prądu
zwarciowego o maksymalnej wartości zapewniającej natychmiastowe zadziałanie
wyłącznika (tj. poniŜej 0.1s). Dla wyłącznika typu D stosowanego przy zasilaniu
silników większych mocy o cięŜkim rozruchu prąd zwarciowy umoŜliwiający jego
natychmiastowe zadziałanie będzie miał wartość 20xI
N
.
2.4.2. B
EZPIECZNIKI
TOPIKOWE
A
SKUTECZNOŚĆ
OCHRONY
PRZECIWPORAśENIOWEJ
.
Charakterystykę wyłączania bezpiecznika opisują zaleŜności między szybkością
wyłączania a wartością prądu. Są tu dwie podstawowe grupy: bezpieczniki szybkie i
zwłoczne. Wersję szybką stosuje się w szczególnych przypadkach, gdy prąd trzeba
przerwać jak najszybciej, np. na wejściu przyrządów pomiarowych, urządzeń
energoelektronicznych. Są one czasem niezbędne ze względów bezpieczeństwa.
Pojęcie szybkiego działania bezpiecznika topikowego naleŜy rozumieć w ten sposób,
-21-
Ŝ
e przepalenie się bezpiecznika nastąpi przy mniejszej krotności prądu nominalnego, w
określonym przez warunki eksploatacji urządzenia czasie, np. 0.2s (patrz tab 2.3). Tym
mniejsza będzie krotność prądu przepalenia się bezpiecznika im szybszy będzie
bezpiecznik. Bezpieczniki szybkie są droŜsze od zwłocznych, dlatego naleŜy rozwaŜyć
konieczność ich zastosowania.
Bezpieczniki zwłoczne potrzebne są w przypadkach, gdy odbiornik pobiera
wysoki prąd w chwili rozruchu, np. silnik przy włączaniu. Zwiększony prąd przy
załączaniu pobierają takŜe transformatory.
Zastosowanie bezpieczników jako ochrony pośredniej wyczerpuje konieczność
powstania widocznej przerwy galwanicznej po zadziałaniu tego zabezpieczenia.
Odbiornik elektryczny spełnia warunki ochrony przeciwporaŜeniowej jeśli prawidłowo
zastosowana jest jednocześnie ochrona podstawowa. Norma PN-EN 60364,
określająca zasady stosowania środków ochrony przeciwpoŜarowej nie narzuca
konieczności
stosowania
uzupełniającej
ochrony
poprzez
stosowanie
np.
wysokoczułych wyłączników róŜnicowo-prądowych (I
r
= 30mA).
Panująca „moda techniczna” na powszechne stosowanie tej uzupełniającej
ochrony z uŜyciem wysokoczułych wyłączników róŜnicowoprądowych w instalacjach
domowych przeniosła się do instalacji przemysłowych. Prowadzi to często do
niezasadnego wyłączania urządzeń i maszyn w instancjach przemysłowych, a tym
samym strat ekonomicznych. Ponowne włączenie maszyny roboczej wskutek
zadziałania takiego zabezpieczenia powinno być dokonane przez słuŜby elektryczne
odpowiedzialne za stan techniczny urządzeń. NaleŜy zawsze starać się zidentyfikować
przyczynę zadziałania takiego zabezpieczenia Urządzenia przemysłowe są one często
generatorami znacznych prądów upływu w normalnych warunkach eksploatacji. Prądy
te mogą powodować często dość przypadkowe wyłączanie urządzenia. W takich
przypadkach naleŜy zrezygnować ze stosowania wysokoczułego wyłącznika
róŜnicowoprądowego jako uzupełniającej ochrony przeciwporaŜeniowej i przykładowo
zastosować wyłącznik róŜnicowoprądowy o większych prądach od 30mA, np. 100mA.
Taki wyłącznik będzie pracował jako zabezpieczenie przeciwpoŜarowe, chociaŜ takŜe
w wielu przypadkach będzie teŜ chronił człowieka. NaleŜy pamiętać, Ŝe urządzenia
przemysłowe mogą róŜnorodnie oddziaływać na sieć zasilania, szczególnie teraz przy
duŜym nasyceniu instalacji odbiornikami nieliniowymi. Dlatego zamiast technicznych
ś
rodków ochrony coraz większe znaczenie mają środki organizacyjne, np. szkolenia
BHP, instrukcje obsługi maszyn itp.
Oczywiście dotknięcie się przez człowieka części czynnej przewodzącej
będącej pod napięciem w czasie normalnej pracy urządzenia (maszyny) spowoduje
poraŜenie człowieka. Nie zadziała ochrona dodatkowa i nie nastąpi odłączenie
zasilania odbiornika jeśli nie zastosowano ochrony uzupełniającej z odpowiednim
wyłącznikiem róŜnicowoprądowym. Pytanie tylko jak doszło do usunięcia izolacji z
przewodu będącego pod napięciem lub jak doszło do usunięcia (otwarcia) obudowy
(osłony) urządzenia, a więc uszkodzenia (usunięcia) ochrony podstawowej? Jeśli to
zrobił ktoś świadomie lub nieświadomie np. przez zaniedbanie, to sprawa nosi
-22-
znamiona przestępstwa. Nastąpiło świadome lub nieświadome zagroŜenie zdrowia, a
nawet Ŝycia innych osób.
Charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników topikowych.
Dla omówienia własności ochronnych bezpieczników topikowych naleŜy
zdefiniować ich parametry. Ich definicje przytoczono poniŜej [7].
Napięcie znamionowe – to największe trwałe napięcie, oraz jego charakter
(zmienne lub stale), przy którym moŜna stosować dany bezpiecznik.
Prąd znamionowy – to wartość prądu roboczego, do którego przystosowany jest
dany bezpiecznik. Jest on nieco mniejszy od prądu, jaki moŜe trwale płynąć bez
zadziałania bezpiecznika. RóŜnice między tymi wartościami są zróŜnicowane, zaleŜnie
od standardu wytwarzania, np. CSA, IEC, UL. W dalszej części opracowania
wykorzystywane są definicje stosowane w normach opartych na standardzie
międzynarodowym IEC.
Charakterystyka wyłączania - opisuje zaleŜność między szybkością wyłączania
a wartością prądu. Są tu dwie podstawowe grupy: bezpieczniki szybkie i zwłoczne.
Wersje szybką stosuje się w poszczególnych przypadkach, gdy prąd trzeba przerwać
jak najszybciej - np. na wejściu zasilania wielu urządzeń elektronicznych lub
energoelektronicznych. Są one czasem niezbędne ze względów bezpieczeństwa, np.
jeśli wartość impedancji zwarciowej jest zbyt duŜa i uniemoŜliwia stosowanie
bezpieczników zwłocznych. Bezpieczniki zwłoczne potrzebne są w przypadkach, gdy
odbiornik pobiera wysoki prąd w chwili rozruchu, np. silnik załączany bezpośrednio z
sieci zasilania, transformator zwłaszcza toroidalny.
Zdolność łączeniowa – to najwyŜszy prąd, jaki dany bezpiecznik moŜe przerwać
przy danym napięciu zasilania, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia jego
obudowy. Specyfikacja zdolności łączeniowej moŜe obejmować np. wartość prądu
przerwania, wartość napięcia roboczego i jego rodzaj (zmienne lub stałe). Zdolność
łączeniowa musi być dobrana biorąc pod uwagę warunki ekstremalne, np. przy
zwarciach naleŜy się liczyć z maksymalnym prądem jaki moŜe popłynąć ze źródła.
-23-
Charakterystyki bezpieczników są znormalizowane. W standardzie IEC
wyróŜnia się typ FF (bardzo szybki), F (szybki), M (dość szybki), T (opóźniony), i
TT (zwłoczny). W standardzie UL są np. T-D (opóźniony) i D (zwłoczny), rys. 2.4.
Rys.2.4. Charakterystyki
zale
Ŝ
no
ś
ci
czasu
przepalenia
od
krotno
ś
ci
pr
ą
du
nominalnego
dla
ró
Ŝ
nych
typów
bezpieczników topikowych wg standardu
IEC.
W normie PN-EN60269-1:2001 [DIN
VDE 0636, (IEC 60269)] dla niskiego napięcia
bezpieczniki łączy się w grupy klasyfikując je w
zaleŜności od pełnionej funkcji charakterystyk
roboczych.
RozróŜnia
się
dwa
zakresy
wyłączania
oraz
stosuje
się
odpowiednie
oznaczenie
wkładek
bezpiecznikowych.
Pierwsza litera oznacza zakres wyłączania:
g - wkładka topikowa o pełnym zakresie zdolności wyłączania,
a - wkładka topikowa o częściowym zakresie zdolności wyłączania.
Druga litera (znak dwuliterowy) oznacza kategorię uŜytkowania, np:
G - powszechne zabezpieczenie kabli i instalacji kablowych, ogólne
zastosowania,
M - zabezpieczenie wyłączników, przełączników i silników,
R - zabezpieczenie półprzewodników,
B - bezpieczniki główne (zabezpieczenie główne),
Tr - zabezpieczenie transformatorów.
Oznaczenia wkładek topikowych mają postać:
gG/gL - wkładka topikowa o pełnym zakresie zdolności wyłączania
przeznaczona do ogólnych zastosowań,
aM/gM - wkładka topikowa o częściowym/pełnym zakresie zdolności
wyłączania przeznaczona do zabezpieczania obwodów silnikowych.
Wkładki typu aR lub gR są szeroko stosowane przy zabezpieczeniu elementów
półprzewodnikowych i urządzeń elektronicznych oraz energoelektronicznych.
Przykładowe
charakterystyki
czasowo-prądowe
wkładek
bezpiecznikowych
przedstawiono na rys. 2.5.
Jeśli wkładka bezpiecznikowa nie ma specjalnych oznaczeń to jest
przeznaczona do pracy przy prądach przemiennych o częstotliwościach 45-62 Hz.
-24-
100 300 1000 3000 10000A
0,001
0,01
0,1
1
5,5
10
100
1000
10000
Czas t
gL
Pr
ą
d I[A]
Pr
ą
d I[A]
Pr
ą
d I[A]
100 300 1000 3000 10000A
aM
100 300 1000 3000 10000A
aR
Rys.2.5. Wykresy
charakterystyk
wybranych
rodzajów
bezpieczników
stosowanych
zabezpieczeniach instalacji nap
ę
dów z przekształtnikami półprzewodnikowymi.
Parametrem charakteryzującym zdolności wyłączania prądów wkładkę
bezpiecznikową jest takŜe podawana przez producenta charakterystyka całki prądu
(całki Joule’a) I
2
t. Dla pracy przedłukowej obrazuje ona najmniejszą wartość ciepła
wydzielonego, które morze wystąpić w eksploatacji od czasu poniŜej 0,1s, aŜ do czasu
odpowiadającego znamionowej zdolności wyłączania [6].
Definicję całki prądu I
2
t przedstawia wyraŜenie poniŜej:
∫
=
1
0
1
2
t
t
dt
i
t
I
[ 2.5 ]
2.4.3. Z
ASADY DOBORU WYŁĄCZNIKA NADPRĄDOWEGO LUB WKŁADKI
BEZPIECZNIKOWEJI PRZYKŁADOWE OBLICZENIA
.
Układ sieci zasilania typu TN
Pomiar impedancji pętli zwarcia jest podstawowym pomiarem w ocenie
skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim w obwodach układu sieciowego TN z
zabezpieczeniami przetęŜeniowymi (samoczynne wyłączenie zasilania). Impedancja
pętli zwarciowej powinna mieć tak małą wartość, aby prąd zwarciowy płynący w pętli
zwarciowej
osiągnął
dostatecznie
duŜą
wartość
zapewniającą
zadziałanie
przetęŜeniowych urządzeń ochronnych w wymaganym krótkim czasie, np. 0,2s; 0,4s;
czy do 5s.
Przed przystąpieniem do wyboru zabezpieczenia przetęŜeniowego naleŜy
ustalić:
•
Maksymalny czas wyłączenia zasilania dla danego znamionowego napięcia
fazowego (w stosunku do ziemi) U
0
i dopuszczalnego długotrwałego napięcia
-25-
dotyku U
L
(z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących
w układzie TN, wg normy PN-IEC60364).
•
Korzystając z charakterystyk czasowo prądowych i danych znamionowych
urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki nadmiarowo prądowe)
ustalamy wartość prądu I
a
powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia
ochronnego w czasie ustalonym w poprzednim punkcie.
Prądy wyłączalne wkładek topikowych odczytujemy z ich charakterystyk
pasmowych.
Mając na uwadze utrudnione odczytywanie wartości liczbowych z
charakterystyk t=f(i) przedstawianych w skali logarytmicznej często podaje się je w
postaci tabelarycznej. W tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych podaje
się odczytane i wyliczone wartości maksymalnych prądów zadziałania (przepalenia)
wkładek topikowych dla czasów 0,2s; 0,4s; 5s.
Dla elektromagnetycznych wyłączników nadmiarowo-prądowych, np. typu
S190 prąd wyłączalny obliczany ze wzorów:
I
a
= 3I
n
dla wyłączników o charakterystyce A,
I
a
= 5I
n
dla wyłączników o charakterystyce B,
I
a
= 10I
n
dla wyłączników o charakterystyce C,
I
a
= 20I
n
dla wyłączników o charakterystyce D
Korzystając z zaleŜności;
TN
a
s
I
U
Z
0
≤
[ 2.6 ]
gdzie: Z
s
- impedancja pętli zwarcia w [
Ω
], U
0
- napięcie znamionowe
względem ziemi w [V], I
a
- prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia
ochronnego w [A].
obliczamy dopuszczalną maksymalną wartość impedancji pętli zwarciowej,
gwarantującej samoczynne wyłączenie zasilania w danym czasie.
Przykład 1
Silnik elektryczny o mocy 6kW i napięciu znamionowym U = 3x400V/3x230V
zabezpieczony jest wkładką topikową zwłoczną WT-1/gG32A i jest zainstalowany na
wolnym powietrzu do napędu wentylatora.
Ocenić skuteczność ochrony przeciwporaŜeniowej pośredniej, jeŜeli zmierzona
wartość impedancji pętli zwarciowej Z
Spom
wynosi 0,6
Ω
.
Dane liczbowe:
U
0
= 230V, U
L
= 25V (warunki o zwiększonym zagroŜeniu – przestrzeń
otwarta, dostęp osób postronnych), Z
Spom
= 0,6
Ω
, I
n
= 32A dla wkładki WT-1/gG
Z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie
TN dla U
0
= 230V i U
L
=25V odczytujemy czas 0,2s.
Z tablicy parametrów technicznych wkładki typu WT-1/gG o prądzie
znamionowym I
n
= 32A odczytujemy prąd samoczynnego zadziałania dla czasu 0,2s,
I
a
= 290,3A. Prąd I
a
bezpiecznika moŜemy takŜe wyznaczyć na podstawie podanego
-26-
przez producenta współczynnika k = I
a
/I
n
, dla analizowanego przypadku odczytana
wartość k =9,0.
Obliczona dopuszczalna wartość impedancji Z
S
:
TN
Ω
=
=
=
79
,
0
3
,
290
230
0
A
V
I
U
Z
a
S
[2.7]
Wniosek:
Ochrona przeciwporaŜeniowa jest skuteczna poniewaŜ wartość impedancji
zmierzonej jest mniejsza od wartości impedancji dopuszczalnej.
TN
Z
Spom
<
Z
S
(0,6
Ω
<
0,79
Ω
)
[2.8]
W analizowanym przykładzie skuteczną ochronę przeciwporaŜeniową spełnią
takŜe
wyłączniki
nadprądowe
(nadmiarowo
prądowe,
przetęŜeniowe)
natychmiastowego działania typu B i C. Nie zapewnia jej wyłącznik typu D
(Z
S
= 230V/32A x 20 =0,36
Ω
).
Układ sieci zasilania typu TT
Pomiar rezystancji uziemienia ochronnego R
A
jest podstawowym pomiarem w
ocenie skuteczności przed dotykiem pośrednim w układzie sieci TT, przy zastosowaniu
jako środka ochrony samoczynnego wyłączenia zasilania.
Rezystancja uziemienia R
A
, powinna mieć na tyle małą wartość, aby prąd
zwarciowy płynący przez rezystancje uziemienia uziomu i rezystancję przewodów
łączących uziom z częściami przewodzącymi dostępnymi (obudowy metalowe) nie
powodował powstania napięcia dotyku większego niŜ napięcie bezpieczne w danych
warunkach środowiskowych U
L
(np. 50V lub 25V).
Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów naleŜy ustalić:
•
Warunki środowiskowe, w oparciu o które przyjmujemy U
L
= 50V dla
warunków normalnych i U
L
= 25V dla warunków o zwiększonym zagroŜeniu.
•
Korzystając z charakterystyk czasowo-prądowych i danych znamionowych
urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki instalacyjne nadmiarowo
prądowe), ustalamy wartość prądu I
a
powodującego samoczynne zadziałanie
urządzenia ochronnego w czasie do 5 s.
Korzystając z zaleŜności;
TT
a
L
A
I
U
R
≤
[2.9 ]
gdzie: R
A
– rezystancja uziemienia ochronnego uziomu wraz z rezystancją
przewodów łączących uziom z chronionymi częściami przewodzącymi obcymi w
Ω
, I
a
–
prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia w [A] w czasie do 5s, U
L
–
dopuszczalna w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego w
[V].
-27-
obliczamy dopuszczalną wartość uziemienia ochronnego R
A
, które nie zawsze
zapewnia wyłączenie urządzeń nadmiarowo prądowych. Z reguły w sieci TT prąd
zwarciowy nie osiąga wartości prądu wyłączającego I
a
, a skuteczność ochrony jest
zapewniona przez obniŜenie napięcia dotykowego do wartości nie większej od napięcia
U
L
.
-28-
Przykład 2
Silnik elektryczny o mocy 6kW i napięciu znamionowym U = 3x400V/3x230V
zabezpieczony jest wkładką topikową zwłoczną WT-1/gG-32A i zainstalowany jest w
hali produkcyjnej przy obrabiarce.
Ocenić skuteczność ochrony przeciwporaŜeniowej jeŜeli zmierzona wartość
rezystancji uziemienia ochronnego wynosi 1
Ω
. Uziom ochronny jest wykonany jako
pojedynczy uziom poziomy. Grunt w czasie pomiaru był wilgotny.
Dane liczbowe:
K
R
= 2,2 - współczynnik odczytany z tablicy wartości sezonowych zmian
rezystywności gruntu dla gruntu wilgotnego,
U
L
= 50V - warunki środowiskowe normalne, I
n
= 32 A - dla wkładki WT-1/gG.
R
Apom
= 1
Ω
R
E
= K
R
×
R
Apom
= 2,2
×
1 = 2,2
Ω
(obliczona wartość rezystancji
uziemienia ochronnego)
Z tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych, dla wkładki WT-1/gG
I
n
= 32A odczytujemy dla czasu t = 5 s wartość prądu I
a
= 148,7A.
TT
Ω
=
=
=
34
,
0
7
,
148
50
A
V
I
U
R
a
L
A
[ 2.10 ]
Ochrona przeciwporaŜeniowa nie jest skuteczna poniewaŜ obliczona wartość wartość rezystancji
uziomu R
E
(uwzględniającej stan gruntu) jest większa od wartości rezystancji dopuszczalnej.
TT
R
E
>
R
A
(2,2
Ω
>
0,34
Ω
)
[2.11]
Aby ochrona przed dotykiem pośrednim za pomocą samoczynnego wyłączenia
była skuteczna naleŜy zastosować urządzenie ochronne róŜnicowoprądowe.
Układ sieci zasilania typu IT
Przy pojedynczym zwarciu z ziemią w układzie IT nie wymaga się
samoczynnego wyłączenia zasilania gdy sieć wyposaŜona jest w urządzenie do kontroli
stanu izolacji (UKSI) oraz sygnalizację pojedynczego zwarcia i o ile spełniony jest
warunek:
IT
Ω
〈
=
20
pom
A
d
L
pom
A
R
oraz
I
U
R
[ 2.12 ]
gdzie: R
A pom
- wartość zmierzonej rezystancji, I
d
– wartość pojedyńczego prądu
zwarcia z ziemią w [A], U
L
– dopuszczalna wartość napięcia dotykowego w [V].
Prąd I
d
pojedynczego zwarcia z ziemią moŜna wyznaczyć metodą pomiarową
przez celowe wykonanie zwarcia doziemnego jednej fazy.
JeŜeli urządzenie UKSI nie działa na wyłączenie, to naleŜy sprawdzić za
pomocą pomiarów lub obliczeń czy są spełnione warunki zapewniające samoczynne
wyłączenie zasilania przy zwarciach podwójnych. ZaleŜnie czy sieć jest z przewodem
neutralnym N, czy teŜ jest bez tego przewodu impedancja pętli zwarcia powinna
odpowiednio spełniać nierówności 2.11 i 2.12.
Opracowanie nie obejmuje omówienia przeciwporaŜeniowej ochrony
uzupełniającej realizowanej obecnie głównie przez stosowanie wyłączników
-29-
róŜnicowo prądowych. Stosowanie tych urządzeń ochronnych ma ograniczone
zastosowanie przy zabezpieczeniach elektronicznych i energoelektronicznych
odbiorników energii. Stosowanie tych zabezpieczeń w układach z przekształtnikami
półprzewodnikowymi prowadzi często do nieuzasadnionego zatrzymywania maszyn i
znacznych strat gospodarczych, dlatego autor nie jest zwolennikiem powszechnego
stosowania tych urządzeń uzupełniającej ochrony przeciwporaŜeniowej [8].
Stosowanie wyłączników róŜnicowo prądowych w instalacjach niskonapięciowych jest
przedmiotem wielu opracowań [5].
2.5. LITERATURA DO ROZDZIAŁU
[ 1] Dr inŜ. Witold Jabłoński, Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej INiPE Ogólne kryteria
ochrony przeciwporaŜeniowej przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim, INPE SEP
Nr 43/2002.
[ 2] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
(Wyszukiwanie norm:
http://www.pkn.com.pl
)
[ 3] A. Białas, Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. F. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne,
opublikowane w miesięczniku „Elektrosystemy”, 2002.
[ 4] W. Orlik, J. Przybyłowicz, Badania i pomiary eksploatacyjne wurządzeń elektroenergetycznych dla
praktyków. Wyd. KaBe Krosno 2000.
[ 5] W.Orlik, Egzamin kwalifikacyjny elektryka w pytaniach i odpowiedziach, Wyd. KaBe Krosno 2001.
[ 6] Poradnik InŜyniera Elektryka, tom 2, WNT, 1997
[ 7] Teoria katalogu ELFA – dział Bezpieczniki, 2003
[ 8] A. Michalski, F. Szczucki i inni, Ochrona przeciwporaŜeniowa przed dotykiem pośrednim w układach
energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne 1/2002.
3. EMC I HARMONICZNE PRĄDU W INSTALACJACH
Z NAPĘDOWYMI PRZEMIENNIKAMI CZĘSTOTLIWOŚCI
3.1. OGÓLNE ZASADY BUDOWY UKŁADU NAPĘDOWEGO
ZGODNEGO Z WYMOGAMI EMC
W celu uniknięcia pomyłek i niedorzeczności, musimy na samym początku
zdefiniować pojęcia jakimi będziemy się posługiwali:
Zaburzenie – dowolne zjawisko elektromagnetyczne, mogące obniŜyć jakość
działania urządzenia lub systemu, albo niekorzystnie wpływać na materię oŜywioną i
nieoŜywioną.
Zakłócenia – obniŜenie
jakości
działania
urządzenia
lub
systemu,
spowodowane zaburzeniem elektromagnetycznym.
Urządzenie – produkt
finalny
przeznaczony
do
autonomicznego
wykonywania określonej funkcji.
System
– kombinacja
wielu
urządzeń
lub
podzespołów
elektrycznych lub elektronicznych, wykonujących wspólnie określone funkcje.
Instalacja
– połączenie w miejscu przeznaczenia urządzeń, systemów lub
podzespołów
elektrycznych
lub
elektronicznych
w
sposób
umoŜliwiający
wykonywanie określonych funkcji.
-30-
Najczęściej spotykanym rodzajem napędu elektrycznego są silniki indukcyjne
zasilane z przemienników częstotliwości. Częstotliwość napięcia wyjściowego
przemiennika jest regulowana szerokością impulsu napięcia wyprostowanego. Postęp
w technologii tranzystorów mocy pozwala na stosowanie coraz większej częstotliwości
impulsowania i coraz krótszych czasów narastania impulsów. Powoduje to generację
zakłóceń o coraz większych częstotliwościach.
Nieprzestrzeganie zaleceń zawartych w normach międzynarodowych IEC lub
europejskich EN, dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej EMC przy
montaŜu takich napędów, prowadzi nieuchronnie do emisji zakłóceń do otoczenia i w
konsekwencji do zakłóceń pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych. PoniewaŜ
polskie normy juŜ toŜsame z normami UE, dlatego znajomość tych zagadnień jest
bardzo waŜna.
Chęć ograniczenia kosztów instalacji, skłania inwestorów do nieprzestrzegania
tych zasad. Praktyka jednak pokazuje, Ŝe są to tylko pozorne oszczędności. Najtańszym
rozwiązaniem technicznym okazuje się wykorzystanie zaleceń dotyczących EMC
podczas wykonywania nowej instalacji napędu. NajdroŜsze rozwiązanie to
dokonywanie modyfikacji w istniejącej juŜ instalacji elektrycznej, rys. 3.1.
róŜnych etapa
Rys.3.1. Koszty
realizacji
warunków
kompatybilno
ś
ci
elektromagnetycznej
EMC
w ró
Ŝ
nych etatach realizacji projektu.
W celu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej podczas montaŜu
urządzeń naleŜy wprowadzić takie działania techniczne, jak uziemienie i
ekwipotencjalizację, ekranowanie oraz stosowanie filtrów. Aby uzyskać Ŝądany efekt
naleŜy podczas montaŜu zastosować wszystkie podane środki. Pominięcie jednego z
nich często niweczy skuteczność pozostałych.
3.1.4. U
ZIEMIENIE
W zakłóceniach generowanych przez przekształtniki częstotliwości
moŜna wyodrębnić składową symetryczną i asymetryczną. Bardzo waŜne jest,
aby składowa asymetryczna prądów zakłóceniowych, zamiast przedostawać
K
O
S
Z
T
Y
PROJEKTO-
WANIE
PROTOTYP,
SERIA PRÓB
PRODUKCJA
SERYJNA
M
O
ś
L
I
W
O
Ś
C
I
ETAPY REALIZACJI PROJEKTU
-31-
się przewodami zasilającymi do sieci, była zamknięta ze swym źródłem
moŜliwie blisko przemiennika. Dlatego:
przemiennik i filtr naleŜy montować blisko siebie na moŜliwie duŜej powierzchni
metalowej, stanowiącej miejscowe uziemienie dla sygnałów zakłócających np. na
tylnej ścianie szafy montaŜowej,
stykające się z uziemieniem powierzchnie przemiennika i filtru, a takŜe
sama szyna uziemiająca muszą być przewodzące elektrycznie, nie mogą
być pokryte farbą, lakierem, folią lub tlenkami,
przewody uziemiające układu naleŜy montować zgodnie z zasadami ochrony
przeciwporaŜeniowej pamiętając, Ŝe w zakresie częstotliwości sygnałów występują
spadki napięcia większe niŜ w przypadku uziemionych powierzchni metalowych,
przewody uziemiające rozprowadzić z jednego punktu do wszystkich
miejsc wymagających uziemienia; pętle przewodów uziemiających mogą
powodować indukowanie i sprzęganie się zakłóceń z otoczeniem.
3.1.5. E
KRANOWANIE
Przyjmujemy, Ŝe układ urządzeń składających się z kilku części
składowych połączonych przewodami jest ekranowany, jeśli kaŜda z jego
części jest ekranowana, przewody między częściami systemu są ekranowane,
a ponadto ekran przewodów jest przyłączony na obu końcach do ekranów
części składowych systemu. Takie rozwiązanie uniemoŜliwia przenikanie
pola elektromagnetycznego z zewnątrz do systemu i wydostanie się go do
ś
rodowiska. W układzie napędowym z przemiennikiem częstotliwości system
składa się z dwóch elementów: przemiennika i silnika, połączonych kablem.
Do przemiennika są równieŜ doprowadzone przewody zasilające. Zasady
ekranowania w odniesieniu do napędów elektrycznych moŜna przedstawić
następująco:
kabel między silnikiem a przemiennikiem powinien być ekranowany,
przewody sterujące między przemiennikiem a silnikiem powinny być
ekranowane,
ekrany kabli na całym obwodzie powinny być połączone z korpusem
silnika z jednej strony i metalową obudową przemiennika z drugiej,
rys. 3.2,
ekran powinien być przymocowany obejmą metalową do części metalowej
silnika lub przemiennika, a nie opleciony wokół tych części, co mogłoby
osłabić skuteczność ekranowania,
jeśli przemiennik nie ma całkowicie ekranowanej obudowy, np. część jego
obudowy jest wykonana z tworzywa sztucznego, to naleŜy przymocować
ekran kabla do wspólnej szyny uziemiającej przemiennika i filtru,
wykorzystanie splotu, skrętki z ekranu do przyłączenia ekranu przewodów
(sterujących, kontrolnych, pomiarowych itp.) jest niedopuszczalne.
-32-
silnik
U
V
W
PE
L1 U
1
V
1
L3 W
1
PE PE
1
NPC
Przemiennik
częstotliwości
Filtr
RFI
ekran kabla
zasilającego silnik
wspólna masa
Linia
zasilania
Rys.3.2. Schemat podł
ą
czenia ekranu kabla zasilaj
ą
cego silnik.
MoŜe się okazać, Ŝe przyłączenie ekranu przewodów sterujących na
obu końcach spowoduje, Ŝe przewody będą mniej odporne na zakłócenia pola
magnetycznego małej częstotliwości. W takiej sytuacji kompromisowym
rozwiązaniem jest połączenie ekranu z jednej strony poprzez kondensatory,
które dla sygnałów wielkiej częstotliwości stanowią zwarcie, a przy małych
częstotliwościach zapobiegają zamknięciu się pętli.
3.1.6. F
ILTRY
W układzie sieć zasilania - przemiennik - silnik jest jeszcze jedno
miejsce, przez które zakłócenie moŜe przedostać się na zewnątrz. Jest to
doprowadzenie zasilania. Zasilający przewód ekranowy przewodziłby
zakłócenia generowane przez przemiennik do sieci zasilającej, co
pogorszyłoby kompatybilność. Jedynym sposobem ograniczenia tych
zakłóceń jest stosowanie filtrów. Konstrukcja filtrów przeciwzakłóceniowych
obejmuje zestaw odpowiedni elementów RLC umieszczonych w zwartej
obudowie. Elementy pojemnościowe i indukcyjne są często zalewane w
obudowie specjalną masą z tworzywa sztucznego w celu uniknięcia ich
wpływu
na
charakterystykę
filtru
podczas
montaŜu.
Prawidłowo
zaprojektowany i wykonany filtr powinien spełniać dwie podstawowe
funkcje: chronić urządzenie przed zakłóceniami zewnętrznymi oraz tłumić
zakłócenia wytworzone w urządzeniu przed wydostaniem się ich do sieci. W
celu dobrania odpowiedniego filtru naleŜy wziąć pod uwagę następujące
parametry:
prąd znamionowy, napięcie i częstotliwość pracy, dopuszczalny
prąd upływności oraz charakterystykę. Dobór filtrów z odpowiednią
charakterystyką polega na tym, aby impedancja wejściowa filtru była
niedopasowana do impedancji obwodów stanowiących źródła zakłóceń w
celu odbicia sygnałów zakłócających [1,2].
W zaleŜności od producenta lub wyrobu stosuje się bardzo róŜne
rozwiązania konstrukcyjne i instalacyjne filtrów przeciwzakłóceniowych.
Generalnie jednak moŜna powiedzieć, Ŝe w roli filtrów zakłóceń radiowych
(filtr RFI) uŜywa się pojemności, zaś zakłóceń przewodzonych -
indukcyjności. Filtry RFI mogą być elementem opcjonalnym montowanym na
-33-
wejściu lub integralną częścią przemienników układów napędowych, np. w
niektórych przemiennikach układy filtrujące RC są standardowo montowane,
zarówno na wejściu, jak i na szynie pośredniczącego napięcia DC.
Filtry RFI są stosowane do tłumienia zakłóceń emitowanych
przewodami w punkcie podłączenia linii tam, gdzie filtr sprowadza
zakłócenia do ziemi. Filtr RFI jest dobierany dla tłumienia zakłóceń
przewodowych. Niezawodne połączenia o niskiej impedancji są istotne dla
zagwarantowania właściwego funkcjonowania filtru, stąd naleŜy postępować
zgodnie z następującymi instrukcjami:
filtr powinien być montowany na płycie o niepowlekanych punktach
połączeń i w zgodności z instrukcjami producenta filtra;
rama szafy filtra i szafa napędu powinny być ze sobą skręcone w kilku
punktach, ze wszystkich punktów naleŜy usunąć farbę;
kable wejściowe i wyjściowe filtra nie mogą biec równolegle do siebie i
muszą być względem siebie separowane ekranem;
maksymalna długość kabla pomiędzy przemiennikiem i jego filtrem
wyjściowym to 2 metry, większe odległości wymagają kabla z ekranem, a
silnik nie moŜe być uziemiony inaczej niŜ poprzez ekran jego kabla
zasilania;
filtr wyjściowy przemiennika musi być uziemiony zgodnie z instrukcjami
producenta, naleŜy zwrócić uwagę na to, Ŝe krytyczne są typ kabla
silnikowego i jego długość.
Podobnie indukcyjności redukujące poziom zakłóceń przewodzonych na
zasilaniu przemiennika, są w zaleŜności od producenta i wyrobu, montowane
standardowo lub opcjonalnie w róŜnych punktach układu. Typowym
rozwiązaniem, jest stosowanie jednego dławika zamontowanego w układzie
pośredniczącym prądu stałego. W przemiennikach stosuje się takŜe inne
rozwiązanie: standardowo montowane są trzy dławiki na fazach wejściowych
urządzenia. Okazało się bowiem, Ŝe dzięki takiemu rozwiązaniu udaje się
uzyskać znacznie niŜszy poziom emisji zakłóceń przewodzonych przy
podobnych gabarytach filtra indukcyjnego typu AC i DC .
NiezaleŜnie od zastosowanej metody w standardowych przemiennikach
oferowanych na rynku, uŜywane są filtry dobrane do danego urządzenia.
Wartości elementów filtrów są róŜne w zaleŜności od wartości parametrów
(mocy, prądów, napięcia zasilania) przemiennika. Odpowiedni dobór
elementów zastosowanych w filtrze danego urządzenia jest wynikiem
obliczeń, doboru i testów wykonywanych przez danego producenta i
najczęściej informacje te nie są powszechnie dostępne.
Mechanizm generacji zakłóceń moŜna zilustrować za pomocą
przykładu, z układem napędowym w którym silnik jest przyłączony do
przemiennika częstotliwości stosunkowo długim kablem. Napięcia wyjściowe
-34-
przemiennika generują drgania w obwodzie: przemiennik – kabel silnikowy –
silnik, poprzez pojemności pasoŜytnicze.
PodwyŜszenie stopnia kompatybilności elektromagnetycznej moŜna
uzyskać za pomocą: dławika wejściowego sieciowego, filtru wejściowego
RFI oraz filtru wyjściowego. Dławik wejściowy spełnia dwie funkcje:
poprawia kształt prądu pobieranego przez obwód wejściowy przemiennika
(prostownik diodowy – kondensator filtrujący) oraz ogranicza wpływ
przełączeń zachodzących w przemienniku na sieć zasilającą. Filtr wejściowy
RFI słuŜy do ograniczenia zakłóceń radioelektrycznych promieniowanych
przez sieć zasilającą oraz zakłóceń przewodzonych wysokiej częstotliwości,
dla których rzeczywisty dławik wejściowy nie stanowi dostatecznie duŜej
impedancji. Filtr wyjściowy pełni podobne funkcje co filtr wejściowy, przy
czym najczęściej jest to dławik (współpracujący z pojemnością kabla i
silnika) obniŜający stromość napięcia wyjściowego przy przełączeniach
(około 10 do 20 razy). W zakresie względnie niskich mocy (do 16 A) mogą
być stosowane filtry dające sinusoidalne napięcie wyjściowe. Jednak obecnie
mają one zbyt wysoką cenę oraz duŜą objętość i masę, co ogranicza zakres ich
stosowania. Innym rozwiązaniem redukującym znacznie generację zakłóceń
opisywanego rodzaju jest ograniczenie długości kabla łączącego silnik z
przemiennikiem częstotliwości.
W skrajnym przypadku w konstrukcji kompaktowej napędu, silnik jest
przyłączony do falownika bezpośrednio (bardzo krótkim przyłączem). Moce
napędów kompaktowych ograniczone są, jak dotychczas, do kilkunastu kW.
Jedną ze skuteczniejszych metod filtracji zakłóceń przewodzonych
powodowanych w sieci przez napęd (odkształcenie sinusoidy zasilającej), jest
takŜe
stosowanie
dedykowanego
transformatora
zasilającego
oraz
zwiększanie liczby pulsów mostka wejściowego przemiennika.
Z przyczyn ekonomicznych stosowanie transformatora przeznaczonego
wyłącznie do zasilania napędu ma sens dopiero od pewnego poziomu mocy.
Niekiedy jednak, gdy przewidziane jest stosowanie duŜej ilości układów
przemiennikowych małej mocy, naleŜy rozwaŜyć zasilanie ich z jednego
transformatora. Rzadko się zdarza, aby przemienniki małej mocy były
wyposaŜone w więcej niŜ sześciopulsowe mostki zasilające. JeŜeli jednak
stosowanych jest równocześnie wiele przemienników sześciopulsowych, przy
projektowaniu ich zasilania z jednego transformatora warto rozwaŜyć
moŜliwość, aby transformator ten został wykonany jako trójuzwojeniowy, a
jego uzwojenia wtórne były połączone w odmienny sposób (tzn. jedno w
gwiazdę a drugie w trójkąt). Przy zachowaniu pewnej równomierności
obciąŜenia obu uzwojeń, efekt moŜe być bardzo zbliŜony do uzyskanego przy
stosowaniu zasilania dwunastopulsowego przemiennika o mocy sumarycznej.
W efekcie uzyskuje się bardzo niski poziom wartości harmonicznych w
napięciu sieci. Zastosowanie transformatora dwunastopulsowego redukuje
-35-
bardzo silnie harmoniczne rzędu 5, 7, 17 i 19 i zmniejsza wartość
harmonicznych rzędu 11 i 13.
3.1.7. D
OBÓR FILTRÓW SIECIOWYCH
Aby odpowiednio dobrać filtr, naleŜy znać impedancje dla sygnałów
asymetrycznych (wspólnych) i róŜnicowych (symetrycznych) z jednej strony
sieci zasilającej, a z drugiej - obciąŜenia.
Częstotliwości, które naleŜy odfiltrować są większe niŜ 150 kHz w przypadku
urządzeń cywilnych. W zakresie częstotliwości mniejszych nie naleŜy się
obawiać zakłóceń asymetrycznych, jeśli oczywiście zastosuje się separację
galwaniczną. Zakłóceniami róŜnicowymi mogą być składowe harmoniczne
napięcia, ale ogranicza się je przez zastosowanie specjalnie dobranych filtrów
pasmowo
zaporowych,
a
nie
klasycznych
filtrów
EMC
(dolnoprzepustowych).
Przy częstotliwościach większych niŜ 50kHz impedancje sieci dla
sygnałów asymetrycznych i róŜnicowych są porównywalne.
Ich wartości w
nieokreślony sposób zmieniają się w czasie, a takŜe zaleŜą od miejsca, w
którym filtr ma zostać zainstalowany. Nie da się bez przeprowadzenia
pomiarów dokładnie określić impedancji sieci. MoŜna jedynie stwierdzić, Ŝe
w 90% przypadków mieści się ona w przedziale od 10
Ω
do 1 k
Ω
, przy czym
w 50% sytuacji impedancja róŜnicowa wynosi ok. 100
Ω
, zaś impedancja dla
sygnałów asymetrycznych prawdziwych wynosi mniej niŜ 200
Ω
.
Natomiast impedancja obciąŜenia jest dość dobrze znana. Dla sygnałów
róŜnicowych jest ona zawsze mała, powiedzmy mniejsza niŜ 10
Ω
w
przypadku zasilaczy impulsowych w warunkach przewodzenia przez diody.
Filtrację zakłóceń róŜnicowych osiąga się przez rozdzielenie duŜą impedancją
(indukcyjnością) sieci od obciąŜenia w celu jak największego ich
niedopasowania i przyłączenie kondensatorów od strony sieci.
Impedancja obwodów zasilania dla sygnałów asymetrycznych jest duŜa.
Separacja galwaniczna zasilania (C < 1nF) sprawia, Ŝe impedancja obciąŜeń
dla zakłóceń asymetrycznych jest większa niŜ 100
Ω
w zakresie
częstotliwości sięgających wielu megaherców. Aby odfiltrować sygnały
asymetryczne od strony obciąŜenia (duŜa impedancja chronionego obwodu),
naleŜy zapewnić duŜą pojemność (między przewody robocze i masę
przyłączyć kondensatory), a od strony sieci zasilającej - bardzo duŜą
impedancję szeregową, tj. dławiki prądu asymetrycznego.
Niektórzy wytwórcy łączą w jednym układzie obydwa rodzaje filtrów
(dla zakłóceń asymetrycznych i zakłóceń róŜnicowych). Rozwiązanie to ma tę
zaletę, Ŝe indukcyjność rozproszenia dławika prądów asymetrycznych jest
wykorzystywana takŜe do filtrowania zakłóceń róŜnicowych.
W filtrach tych wykorzystywane są dwa typy kondensatorów:
kondensatory X, tzw. międzyfazowe lub trybu róŜnicowego,
-36-
kondensatory Y, zwany równieŜ kondensatorami typu asymetrycznego.
Kondensator X powinien być jak największy, Największą wartość jego
pojemności wyznacza jedynie dopuszczalna wartość prądu występującego
przy załączaniu urządzenia, ograniczonego jedynie impedancją sieci.
Kondensatory Y przyłączane do obudowy nie powinny wprowadzać zbyt
duŜego prądu do przewodu ochronnego. Przepisy bezpieczeństwa ograniczają
prąd upływu w przewodzie ochronnym PE, w połączeniach zasilających
urządzeń ruchomych, do 0,25mA lub 3,5mA przy częstotliwości sieciowej,
zaleŜnie od rodzaju urządzenia [3].
3.2.
WPŁYW PARAMETRÓW SIECI ZASILANIA NA UKŁAD
NAPĘDOWY
3.2.1. D
EFINICJE I MIARY JAKOŚCI ENERGII
.
Jakość energii elektrycznej jest pojęciem z kategorii rynku i nie poddaje
się w pełni sformalizowanym miarom. Obiektywnie jakość energii moŜe być opisana
zbiorem moŜliwie ściśle zdefiniowanych parametrów, jak np. liczba i czas trwania
przerw w zasilaniu, odchylenia wartości skutecznej, częstotliwości oraz stopnia
deformacji fali napięcia na przyłączu u odbiorcy. Jak widać nie chodzi tu o parametry
dotyczące bezpośrednio energii, ale o parametry charakteryzujące warunki
przekazywania energii. Subiektywnie jakość energii elektrycznej zaleŜy od czułości
stosowanych odbiorników na zakłócenia i odchylenia od nominalnych warunków
zasilania. Problem niekompatybilności w nowoczesnych urządzeniach sprowadza się
najczęściej do zniekształcania informacji zawartych w sygnałach obwodów sterowania,
pomiarów i nadzoru.
Obiektywnie parametry określające jakość energii, to:
Parametry znamionowe: napięcie, tolerancja zmian napięcia, częstotliwość,
tolerancja zmian częstotliwości.
Parametry w stanie zaburzenia: przepięcia, wahania napięcia (migotanie),
załamania napięcia, asymetria napięć.
Jednym z istotnych czynników charakteryzujących jakość energii elektrycznej
jest odkształcenie przebiegów napięć i prądów od przebiegu sinusoidalnego.
Odkształcenie to jest charakteryzowane występowaniem wyŜszych harmonicznych w
przebiegu czasowym o częstotliwości podstawowej, np. 50 Hz. Definiowane jest ono
najczęściej procentową zawartością wyŜszych harmonicznych w stosunku do wartości
skutecznej harmonicznej podstawowej [THD
u
, THD
i
] lub do wartości skutecznej
przebiegu odkształconego [TDF
u
, TDF
i
].
-37-
3.2.2. G
ŁÓWNE PRZYCZYNY POWSTAWANIA ZNIEKSZTAŁCEŃ W LINIACH
ZASILAJĄCYCH
.
Największy wpływ na powstawanie zniekształceń harmonicznych podczas
działania przemiennika częstotliwości mają mostki prostownicze przekształcające
napięcie AC na napięcie DC, rys. 3.1. Falownik zamienia natomiast napięcie DC na
napięcie AC o dowolnej częstotliwości i wartości skutecznej napięcia dla
sterowania prędkością i momentem silnika. Nie oddziaływuje on bezpośrednio na
siec zasilania, .wpływ falownika ma tu charakter drugorzędny.
Prostownik
trójfazowy
AC
DC
DC
AC
Linia
zasilaj
ą
ca
AC
Rys.3.3. Ogólny schemat blokowy przemiennika napi
ę
ciowego do nap
ę
du zmienno
cz
ę
stotliwo
ś
ciowego.
W większości dziś uŜywanych przemiennikach częstotliwości stosowanych w
układach napędowych, do przekształcania napięcia zasilania stosowane są diodowe
mostki prostownicze, rys. 3.3. Do „wygładzenia” napięcia DC (zmniejszenia tętnień
pozostałych po napięciu AC) stosuje się kondensatory.
sie
ć
zasilania
AC
do mostka
odwracaj
ą
cego
DC/AC
(falownika napi
ę
cia)
Rys.3.4. Diodowy mostek prostowniczy w układzie przemiennika PWM.
Podczas gdy rezultatem filtru kondensatorowego jest bardzo sprawny napęd,
układ moŜe powodować problemy w linii elektroenergetycznej AC, z powodu
sposobu w jaki przepływa (jest pobierany) prąd zasilania. Prąd ten będzie płynąć z
prostownika do kondensatora C tylko do chwili gdy napięcie wejściowe będzie
większe niŜ napięcie na zaciskach kondensatora. Dokładnie obrazuje to rys. 3.5. Jak
widać czas przepływu tego prądu jest bardzo mały dla kaŜdej z faz. AŜeby
-38-
przenieść wymaganą przez silnik energię w takim krótkim okresie czasu, amplituda
prądu musi być bardzo wysoka.
Linia
przerywana
przebieg
napi
ę
cia AC
Faza
napi
ę
cia
i
Rys.3.5. Pr
ą
d wej
ś
ciowy dopływa tylko wtedy gdy napi
ę
cie wej
ś
ciowe jest wi
ę
ksze ni
Ŝ
napi
ę
cie
na zaciskach kondensatora C.
Prąd wejściowy nie jest sinusoidalny, co moŜna łatwo zaobserwować przy
pomocy np. oscyloskopu. Składa się on natomiast z dwu odrębnych pulsów w
kaŜdej połówce okresu napięcia. Taki przebieg prądu ma duŜą zawartość wyŜszych
harmonicznych. Impulsy prądowe układają się symetrycznie wokół amplitud
napięcia w jego półokresach i w miarę wzrostu poboru energii obciąŜenia
falownika, tj. którą pobiera silnik, zamiast dwu impulsów prądu obserwujemy
niemal
jeden.
Wzrost
obciąŜenia
prostownika
powoduje
zmniejszenie
współczynnika zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania.
Większość urządzeń elektronicznych zasilania uŜywa tego typu mostków
prostowniczych w układach zasilania. Są to np. komputery, faksy, kserokopiarki,
drukarki i elektronicznie Ŝarówki energooszczędne jak równieŜ przemienniki
częstotliwości w układach napędowych AC. W przypadku odbiornika pobierającego
prąd o przebiegu nie będącym sinusoidą, gdy jednocześnie napięcie zasilania jest
sinusoidą, odbiornik taki jest nazywany obciąŜeniem nieliniowym.
3.2.3. W
SKAŹNIKI CHARAKTERYZUJĄCE ODKSZTAŁCENIA NAPIĘCIA I PRĄDU
.
Przekształtniki energoelektroniczne są obecnie waŜnym źródłem zaburzeń
przewodowych poniewaŜ pobierany przez nie z sieci zasilania prąd nie jest
sinusoidalny i jego wyŜsze harmoniczne przenoszą duŜą część mocy pobieranej z sieci
zasilania. WyŜsze harmoniczne niskich rzędów są przyczyną duŜych strat i zaburzeń w
-39-
poprawnej pracy sieci. Wiele prac technicznych ma na celu jedynie minimalizowanie
tych negatywnych skutków. Dalsza część opracowania dotyczyć będzie emisji
przewodowej zaburzeń. Emisja zaburzeń przenoszonych poprzez promieniowanie
elektromagnetyczne charakteryzuje się duŜą tłumiennością i jej organicznie jest
technicznie łatwiejsze do realizacji w układach przemysłowych.
Podstawowe własności zaburzeń, harmonicznych prądu niskiej częstotliwości w
sieci zasilania:
zakres częstotliwości: 0 < f < 1do 10 MHz
występowanie - głównie w formie przewodzonej
czas trwania - najczęściej zakłócenia długie (np.100ms). Przy generowaniu
harmonicznych zakłócenie występuje bez przerwy
energia - przewodzona energia moŜe być bardzo duŜa prowadząca do
nieprawidłowego działania urządzenia, a nawet do jego zniszczenia
Nieliniowe obciąŜenie
(urządzenie)
Zniekształcenia
prądu – sieć zasil.
Zniekształcenia
napięcia (sieć zasil.)
Impedancja układu
– moc zwarciowa
Wzrost strat w układzie zasilania
Zakłócenia przekazywane
do środowiska
Rys.3.6. Wpływ nieliniowego odbiornika energii na wyst
ę
powanie zaburze
ń
napi
ę
cia w sieci
zasilania.
Odbiornik nieliniowy jako źródło zniekształceń harmonicznych prądu powoduje
zniekształcenia napięcia w sieci zasilania.
Zniekształcenia prądowe związane są z urządzeniami, natomiast zniekształcenia
napięciowe związane są z układem pracy (środowiskiem) danego urządzenia, rys. 3.6.
Dla określenia poziomu zniekształceń napięciowych konieczna jest wiedza o
poziomie zniekształceń prądowych i zwarciowej impedancji układu. Nie jest moŜliwe
określenie zniekształceń napięciowych jedynie na podstawie znajomości parametrów
napędu. Zniekształcenia napięciowe charakteryzują parametry układu zasilania.
Zniekształcenia prądowe charakteryzują indywidualne cechy urządzenia.
Dla przedstawienia dopuszczalnych poziomów zawartości harmonicznych w
przebiegach napięć lub prądów wprowadzono pojęcie współczynnika THD (Total
Harmonic Distortion). tj. całkowitej zawartości harmonicznych. Jest on odpowiednio
definiowany dla zawartości harmonicznych napięcia i prądu:
-40-
∑
=
=
N
k
K
U
U
THDu
2
2
1
)
(
∑
=
=
N
k
k
I
I
THDi
2
2
1
)
(
[ 3.1 ]
gdzie: [U
k
(lub I
k
) jest kolejną harmoniczną przebiegu podstawowego U
1
(lub
I
1
), a N - liczbą uwzględnianych harmonicznych.
Współczynnik TDD wyraŜa procentowy udział zniekształceń w maksymalnym
prądzie obciąŜenia – zwykle odnoszony do 15 lub 30 min. zapotrzebowania mocy.
TDD jest wielkością wiąŜącą własności układu zasilania z wartością prądu obciąŜenia
I
L
. Wartość prądu obciąŜenia I
L
ma decydujący wpływ na wartość współczynnika
TDD,
współczynnik TDD (ang. Total Demand Distortion) wiąŜe wartości zawartość
harmonicznych prądu z wartością . W standardzie wg American Institute of Electrical
and Electronic Engineers, IEEE- 519-1992, na którym będą opierać się przyszłe normy
[ 3.2 ]
techniczne do budowy urządzeń energoelektronicznych, przedstawiono
dopuszczalne poziomy odkształceń prądu pobieranego przez odbiorniki. Wymagania te
dotyczą wartości kolejnych harmonicznych do rzędu 11. Ponadto dopuszczalna
wartość współczynnika harmonicznych prądu THDi jest uzaleŜniona od wielkości
mocy zwarciowej układu zasilania.
Tab.3.1. Dopuszczalne poziomy zawarto
ś
ci harmonicznych nieparzystych pr
ą
du dla
nieliniowych obci
ąŜ
e
ń
w sieciach TN współpracuj
ą
cych z innymi obci
ąŜ
eniami i
napi
ę
ciach 120V-69.000V wg standardu IEEE-519
I
zw
/I
obc
<20
20...50
50...100
100...1000
>1000
THDi dla n<11
4%
7%
10%
12%
15%
TDDi
5%
8%
12%
15%
20%
Standard ten określa teŜ wraŜliwość urządzeń elektrycznych stosowanych
publicznie na zakłócenia harmoniczne oraz dopuszczalny poziom zniekształceń
harmonicznych napięcia w sieci. IEEE 519 zawiera róŜne limity dla róŜnych typów
budynków. Problem ten wizualizuje nam poniŜsza tabela. Jak widzimy sieci
przemysłowe mają duŜo mniej surowe przepisy niŜ np. budynki mieszkalne. Dlatego
napędy z przemiennikiem częstotliwości nie zawsze muszą posiadać filtry
harmonicznych prądu.
Tab.3.2. IEEE 519 ogólne standardy dla zakłóce
ń
harmonicznych napi
ę
cia.
Klasa zastosowania
THDu (%)
%
100
1
max
2
2
)
(
⋅
=
∑
=
N
n
n
L
I
I
TDD
-41-
Zastosowanie wraŜliwe: Lotniska, Szpitale,Telekomunikacja
3%
Zastosowanie ogólne: Biura, Szkoły
5%
Zastosowanie lokalne: Fabryki
10%
W rzeczywistych układach odbiorników nieliniowych stawiane wymagania na
THDi nie da się spełnić bez stosowania filtrów aktywnych lub innych kosztownych
układów kompensacji mocy odkształconej, co powoduje znaczne koszty budowy
instalacji zasilania stają się bardzo duŜe.
Proste układy przekształtników znacznie przekraczają przedstawione zalecenia
co ilustruje podany niŜej przykład współpracy prostownika trójfazowego 3f6d –
rys. 3.4, i 3.5 czy jednofazowego 1f4d – rys. 3.7. Z analizy zawartości harmonicznych
dla róŜnych konfiguracji prostowników wynika, Ŝe współczynnik THDi moŜe w
korzystnych warunkach współpracy z obciąŜeniem pojemnościowym moŜe wynosić
odpowiednio:
- 41% dla pełno mostkowego prostownika 1-fazowego,
- 31% dla 6 diodowego prostownika mostkowego 3-fazowego,
W układach z 3-fazowym 6-pulsowym prostownikiem sterowanym jest jeszcze
trudniej zapewnić małą zawartość harmonicznych prądu, w zaleŜności od kąta
opóźnienia włączania zaworów, THDi moŜe wynosić nawet 60%.
R
R
C
U
R
t
i
zR
t
U
C
i
zC
i
zR
i
zC
A
B
Rys.3.7. Odbiornik - układ prostownika z obci
ąŜ
eniem rezystancyjnym – A i dominuj
ą
cym
pojemno
ś
ciowym – B: A – odbiornik liniowy – pr
ą
d sieci zasilania jest sinusoid
ą
, B –
odbiornik nieliniowy - pr
ą
d sieci zasilania nie jest sinusoid
ą
.
Przy braku kondensatora napięcie na odbiorniku ma przebieg dwu połówkowo
wyprostowanego napięcia sieciowego, a prąd pobierany z sieci ma przebieg
sinusoidalny.
-42-
Po dołączeniu kondensatora, znakomicie zmniejszającego tętnienia napięcia na
odbiorniku rezystancyjnym, układ staje się odbiornikiem nieliniowym, gdyŜ prąd
pobierany jest impulsowo, w chwili doładowywania kondensatora.
Ogólnie moŜna stwierdzić, Ŝe obecność wyŜszych harmonicznych prądu
zasilania odbiorników nieliniowych jest przyczyną niekorzystnych zjawisk, między
innymi: zakłóceń w pracy innych odbiorników, przegrzewania się transformatorów i
silników, przegrzewania się przewodu neutralnego (głównie w obwodach
jednofazowych), zwiększonych strat w przesyłaniu energii, zniekształceń napięcia sieci
zasilającej [4,5].
Z powodu odkształceń prądu wprowadzanych przez odbiorniki nieliniowe
odkształceniom ulega napięcie sieci, która zasila dołączone do mej odbiorniki liniowe.
Odkształcenia napięcia moŜna przedstawić w formie widma wyŜszych harmonicznych
napięcia oraz współczynnika THDu.
Podane wymagania, dotyczące jakości energii elektrycznej są pierwszymi
próbami
regulacji
prawnych.
NaleŜy
przypuszczać,
Ŝ
e
konieczne
będą
międzynarodowe ustalenia i ujednolicenia wymagań, gdyŜ odbiorniki nieliniowe stają
się coraz bardziej znaczącą częścią obciąŜeń, a generowane przez nie zakłócenia są
postrzegane jako istotny czynnik wpływający na zawodność urządzeń.
Tab.3.3. Dopuszczalna warto
ś
ci współczynnika THDu
Dokument
THDu
Zawartość pojedynczej harmonicznej
- (Un/U1)x100%
EN50160
8%
1,5...6%
IEEE st.519
5%
3%
Rozp. Min. Gosp. Z 25.09.00(Dz.U.85.p.957)
8%
5%
-43-
Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez
powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3F6D moŜna prześledzić na podstawie
rys. 3.8.
Rys.3.8. Współczynnik zawarto
ś
ci harmonicznych THDi pr
ą
du wej
ś
ciowego prostownika
trójfazowego 3F6D w zale
Ŝ
no
ś
ci od warto
ś
ci indukcyjno
ś
ci dławika AC i DC.
Z rys. 3.8 wynika, Ŝe nie ma moŜliwości obniŜenia zawartości THDi w sieci
zasilania poniŜej ok. 38% przy powszechnie stosowanych dzisiaj prostownikach 3f6d
jako stopniach wejściowych napięciowych przemienników częstotliwości. Obecnie
przemienniki napięciowe z prostownikiem 3F6D przekraczają moce 500kW przy
zasilaniu z sieci o napięciu 3x400-690V. Uwzględniając THDi przemienników
napięciowych na poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani
producenci poprzez dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności,
naleŜy dąŜyć do zapewnienia obciąŜenia transformatora zasilającego mocą
odkształconą nie powodującą zniekształcenia napięcia powyŜej wartości określonej
normami, zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) w
miejscu dołączenia innych wraŜliwych odbiorników do sieci [5,12].
Spadek napięcia w miejscu włączenia do sieci zasilania wraŜliwych odbiorów
powodowany harmonicznymi prądu zaleŜy od impedancji zwarciowej sieci Zsc w tym
miejscu
i
wartości
harmonicznych
prądu
obciąŜenia
przekształtnika
energoelektronicznego. Współczynnik mocy zwarciowej określa wyraŜenie (SCR –
ang. short circuit ratio), wg wzoru: e
x
= I
SC
/I
L
.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
L
DC
=0
L
AC
=0
THDi [%]
L
DC
L
AC
Równowa
Ŝ
ny
dławik AC
Typowy
dławik DC
indukcyjno
ś ć
AC lub DC [mH]
-44-
Dla uzaleŜnienia poziomu zniekształceń prądowych w sieci zasilania od
zastosowanego rozwiązania technicznego odbiornika określa się stałą harmonicznych –
H
c
wg wzoru:
[ 3.3 ]
Dla
wybranych
rozwiązań
technicznych
przekształtników
energoelektronicznych
wyznaczono wartość współczynnika H
C
, co przedstawiono w tabeli poniŜej.
Typ obciąŜenia
Wartość H
C
Trójfazowy prostownik diodowy 3F6D > 300
Trójfazowy prostownik diodowy 3F6D
z dławikiem AC/DC
150-350
Prostownik 12 plusowy 3F2x6D
100-150
poniewaŜ:
[ 3.4
]
wtedy po przekształceniu uzyskujemy:
[ 3.5 ]
PowyŜsze wyraŜenie umoŜliwia łatwe określenie współczynnika zawartości
harmonicznych napięcia zaleŜnie od prądu maksymalnego obciąŜenia odbiornika
przekształtnika I
FL
i prądu zwarciowego linii zasilającej I
SC
.
%
100
2
2
1
×
=
∑
∞
=
h
h
c
I
I
h
H
( )
( )
%
100
1
%
100
%
100
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
×
=
×
=
×
=
∑
∑
∑
∞
=
∞
=
∞
=
h
h
sc
h
h
h
h
h
I
I
I
h
V
X
V
I
X
h
THDu
[ ]
%
SC
FL
c
I
I
H
THDu
=
-45-
Przykład obliczeniowy wyznaczania współczynnika THDu w sieci zasilania:
Podano przykład wyznaczenia zniekształceń napięciowych w obwodzie
wtórnym transformatora SN o mocy pozornej 1MVA, przekładni 10/0.48kV, i
współczynniku mocy zwarciowej ex=5%, z którego zasilany jest 200kW przemiennik
częstotliwości z 6pulsowymdiodowymprostownikiem wejściowym, wyposaŜonym w
dławik DC [13].
Rys.3.9. Schemat układu zasilania przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci.
Bez przeprowadzania dokładnych obliczeń moŜna przyjąć, Ŝe dla
przemienników napięciowych o wartości THDi bliskiej 40%, uzyskujemy THDu w
pobliŜu transformatora bliskie 5%, jeśli maksymalna moc czynna przemiennika do
mocy pozornej transformatora wynosi mniej niŜ 40%. MoŜna dla potrzeb inŜynierskich
w typowych warunkach zasilania (e
x
=5%) ekstrapolować liniowo moc pozorną
transformatora dla wyznaczenia iwartości THDu równej 2.5% i 10%. Badania wartości
THDi i THDu warunkach laboratoryjnych moŜna wyznaczyć na stanowisku
przedstawionym na rys. 3.10.
Rys.3.10. Laboratoryjne
stanowisko
do
bada
ń
współczynnika
THDi
przemienników
cz
ę
stotliwo
ś
ci.
10/0.48 kV
P=200kW
H
C
=250%
Zniekształcenia napi
ę
ciowe okre
ś
lone
dla innych odbiorów doł
ą
czonych do
uzwojenia wtórnego transformatora.
1MVA
e
x
=5%
3F6D
PC
-46-
Maksymalna moc czynna przemiennika o THDi=40%, wynosi 100kW, wtedy:
THDu = 5% - dla mocy pozornej transformatora: 100:0,4 = 250kVA,
THDu = 10% - dla 125kVA, oraz THDu = 2,5% dla 500kVA.
Tab.3.4. Obliczenia współczynnika THDu w sieci zasilania
Znamionowy prąd transformatora
I
S
V
nom
nom
nom
=
3
I
e
kA
nom
=
⋅
=
1 6
3 480
1 20
.
Prąd zwarciowy transformatora
I
I
sc
nom
x
=
ε
I
e
kA
sc
=
=
1 20 3
0 05
24 1
.
.
.
Znamionowy prąd przemiennika
częstotliwości
I
P
V
FL
nom
nom
=
3
I
e
A
FL
=
⋅
=
200 3
3 480
241
Stała harmonicznych przemiennika
częstotliwości (H
C
)
250%
(wartość szacowana)
Współczynnik zniekształceń napięciowych,
THDu
SC
FL
c
I
I
H
THDu
=
%
5
.
2
3
1
.
24
241
250
=
=
e
THDu
3.2.4. T
RÓJFAZOWY
PROSTOWNIK
DIODOWY
JAKO
GENERATOR
HARMONICZNYCH PRĄDU
Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez
powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3f6d moŜna prześledzić na podstawie
badań zilustrowanych na rys. 3.11.
Rys.3.11. Badanie prostownika 3F6D jako generatora harmonicznych pr
ą
du: a - napi
ę
ciowe
przemienniki cz
ę
stotliwo
ś
ci na stanowisku bada
ń
, b - przebieg pr
ą
du przewodowego
na tle przebiegu napi
ę
cia fazowego.
Analizę
widma
prądu
wejściowego
przemiennika
napięciowego
przeprowadzono przy jego nominalnym obciąŜeniu. Przy niedociąŜeniu przemiennika
całkowita zawartość harmonicznych w prądzie zasilania wzrasta. Wyniki analizy
przedstawiono na rys. 3.12b. Prostownik 3f6d obciąŜony napięciowo generuje
harmoniczne nieparzyste niepodzielne przez 3 .
-47-
a
b
Rys.3.12. Analiza zawarto
ś
ci harmonicznych w pr
ą
dzie zasilania przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci a
– przebieg półokresu pr
ą
du zasilania, b – widmo harmonicznych pr
ą
du zasilania
Aby oszacować wpływ niedociąŜenia przemiennika częstotliwości lub jego
przewymiarowania wyznaczono wartości współczynnika THDi, przy braku obciąŜenia
i przy obciąŜeniu nominalnym. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono na
rys. 3.11.
a)
b)
Rys.3.13. Zawarto
ść
harmonicznych w pr
ą
dzie zasilania przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci w funkcji
obci
ąŜ
enia: a – przemiennik nieobci
ąŜ
ony, b – przemiennik obci
ąŜ
ony nominalnie.
Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez
powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3f6d moŜna ograniczać poprzez
dodanie odpowiednich dławików wejściowych typu AC lub DC. Wpływ tych
dławików na skuteczność ograniczania harmonicznych prądu jest zbliŜony co
przedstawia rys 3.8 [9,10,11].
Stosowanie dławików wejściowych ma decydujące znaczenie dla ograniczenia
zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania. Z rys. 3.11 wynika, Ŝe w
instalacjach z przemiennikami częstotliwości zawierającymi prostowniki wejściowe
3f6d nie ma moŜliwości obniŜenia wartości THDi poniŜej ok. 38%, jeśli ich tłumienie
harmonicznych dokonywane jest dławikami. Obecnie przemienniki napięciowe z
prostownikiem 3f6d zasilane z sieci niskonapięciowej osiągają moce rzędu 1MW.
a) Analiza harmonicznych pr
ą
du:
bez obci
ąŜ
enia
I
1
(skł. podst.)
38.57 A
THDi
104.52 %
I skuteczne
55.79 A
H
C
704 %
5’ta
30.41 A
7’ma
23.64 A
11’ta
10.01 A
13’ta
5.07 A
b)Analiza harmonicznych pr
ą
du:
nominalne obci
ąŜ
enie
I
1
(skł. podst.)
36.22 A
THDi
42.51 %
I skuteczne
39.47 A
H
C
310 %
5’ta
12.91 A
7’ma
7.03 A
11’ta
3.06 A
13’ta
2.10 A
-48-
Trzeba uwzględniać generowaną przez nie moc bierną wyŜszych harmonicznych przy
określaniu mocy transformatorów, przekrojów kabli i wartości zabezpieczeń
nadprądowych i zwarciowych. Uwzględniając THDi przemienników napięciowych na
poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani producenci poprzez
dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności, naleŜy dąŜyć do
zapewnienia obciąŜenia transformatora zasilającego mocą bierną wyŜszych
harmonicznych, nie powodującą zniekształcenia napięcia powyŜej wartości określonej
normami. Zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) jeśli
w miejscu dołączenia przemiennika nie ma innych wraŜliwych odbiorników.
3.2.5.
S
KUTKI ODDZIAŁYWANIA ODKSZTAŁCONYCH PRZEBIEGÓW NAPIĘĆ I
PRĄDÓW SIECI ZASILANIA NA PRACĘ UKŁADÓW NAPĘDOWYCH
Odkształcenia prądu i napięcia w sieci elektroenergetycznej powodują
występowanie zakłóceń w pracy i funkcjonowaniu wielu urządzeń oraz w ich
otoczeniu:
•
natychmiastowe, związane tylko z odkształceniem, a nie z czasem
oddziaływania, np. błędne działanie zabezpieczeń, urządzeń sterujących,
regulacyjnych i telekomunikacyjnych w obiekcie energetycznym,
•
długotrwałe, związane z wielkością zakłócającą oraz czasem oddziaływania, np.
przyśpieszone starzenie izolacji maszyn elektrycznych i kabli, dodatkowe straty
mocy w torach prądowych i przeciąŜenia elementów sieci elektroenergetycznej.
Szczególnie niekorzystnym zjawiskiem jest występowanie odkształceń napięcia.
Harmoniczne zawarte w odkształconych przebiegach czasowych napięć wpływają na
inne elementy systemu elektroenergetycznego, przez co obserwuje się występowanie
niekorzystnych efektów w wielu odbiornikach i urządzeniach podłączonych do
wspólnej sieci, jak np. [6]:
•
zwiększenie strat mocy czynnej w silnikach i transformatorach,
•
przeciąŜenie prądowe kondensatorów w układach kompensacji,
•
zakłócenie pracy zabezpieczeń i układów sterujących,
•
błędne wskazania przyrządów pomiarowych (np. liczników energii),
•
trudniejsze warunki gaszenia łuku (dla występujących zwarć doziemnych).
3.3.
REALIZACJA WYMOGÓW EMC W INSTALACJACH
NAPĘDOWYCH Z PRZEMIENNIKAMI NAPIĘCIOWYMI
Sposoby realizowania wymogów EMC w gotowych przemiennikach
częstotliwości przeanalizowano na przykładzie zaleceń projektowych i dokumentacji
technicznej przemienników częstotliwości firmy Danfoss serii VLT 5000.
W celu spełnienia wymogów i zaleceń określonych normami i aktami
prawnymi opisanych w poprzednich rozdziałach pracy, dokumentacja techniczna
producenta urządzenia podaje dokładne instrukcje dotyczące zasad wykonania
instalacji, zapewniającej jej wykonanie zgodnie z wymogami EMC.
-49-
3.4. ZGODNOŚĆ Z DYREKTYWĄ EMC 89/336/EWG
W ogromnej większości przypadków przemienniki częstotliwości są
instalowane są przez przeszkolony personel techniczny jako złoŜony komponent
będący częścią duŜego urządzenia, systemu lub instalacji. NaleŜy pamiętać, Ŝe
odpowiedzialność za spełnianie wymogów EMC przez całe urządzenie, system lub
instalację spada na instalatora. Jako pomoc dla instalatorów naleŜy wykorzystywać
dokumentację techniczną producenta zawierającą wytyczne instalacyjne dotycząc
EMC. Normy i testy określone dla układu napędowego są spełnione przy załoŜeniu, Ŝe
zostały zastosowane instrukcje instalacyjne dotyczące EMC [8].
Ogólne aspekty emisji EMC
Zakłócenia elektryczne przy częstotliwościach w zakresie 150kHz do 30MHz są
zwykle przenoszone przez kable. Zakłócenia indukowane w zakresie 30MHz do 1GHz
generowane są przez falownik przemiennika, kabel zasilający silnika i silnik.
Jak pokazuje rys. 3.14, prądy pojemnościowe w kablu silnika razem z duŜą
wartością dU/dt napięcia silnika wytwarzają znaczny prąd upływu. Stosowa- nie kabla
ekranowanego/zbrojonego zwiększa prąd upływu. Dzieje się tak poniewaŜ kable
ekranowane/zbrojone mają większą pojemność do masy niŜ kable nieekranowane /
niezbrojone. Jeśli prąd upływu nie jest filtrowany, powoduje duŜe zakłócenia na
zasilaniu w zakresie częstotliwości radiowych poniŜej około 5MHz. PoniewaŜ prąd
upływu (I
1
) jest przenoszony z powrotem do przemiennika poprzez ekran (I
3
), powstaje
w zasadzie tylko niewielkie pole magnetyczne (I
4
) z ekranowanego kabla zasilającego
silnik.
Ekran ogranicza emitowane zakłócenia, ale zwiększa niskoczęstotliwościowe
zakłócenia przenoszone do sieci zasilającej. Ekran kabla silnika musi być połączony do
obudowy przetwornicy, jak równieŜ do obudowy silnika. Najlepszym sposobem
realizacji tego wymagania jest zastosowanie zintegrowanych zacisków kablowych, a
tym samym unikanie skręcania końcówek ekranu, gdyŜ powoduje to zwiększenie
impedancji ekranu dla większych częstotliwości, co zmniejsza skuteczność
ekranowania i zwiększa prąd upływu (I
4
).
Jeśli kabel ekranowany stosowany jest do podłączenia cyfrowej magistrali
komunikacyjnej
np.
Profibus,
przekaźników,
we/wy
sterowania, interfejsu
sygnałowego i hamulca, ekran przewodu sygnałowego musi być montowany do
obudowy na obu końcach. Niemniej, w niektórych sytuacjach, konieczne jest
przerwanie ekranu w celu unikania powstawania pętli prądowych.
-50-
Rys.3.14. Pr
ą
dy upływu do ziemi.
W przypadku gdy ekran ma być umieszczony na płycie montaŜowej
przemiennika częstotliwości VLT, płyta montaŜowa musi być wykonana z metalu,
poniewaŜ prądy ekranu muszą być przenoszone z powrotem do urządzenia. Bardzo
waŜne jest równieŜ zapewnienie dobrego styku elektrycznego pomiędzy płytą
instalacyjną, poprzez wkręty aŜ po metalową szafę przemiennika częstotliwości VLT
[3,7].
Jeśli chodzi o samą instalację, mniej skomplikowane jest stosowanie kabli
nieekranowanych.
W celu moŜliwie maksymalnego zmniejszenia poziomu zakłóceń emitowanych
przez cały system (przemiennik częstotliwości i instalacja elektryczna) waŜne jest, aby
kabel silnikowy był moŜliwie najkrótszy.
Kable z napięciowymi sygnałami, podatne na zakłócenia nie powinny być
kładzione wzdłuŜ kabli silnika.
Zakłócania radiowe powyŜej 50MHz - indukowane będą generowane
szczególnie przez układy sterujące.
Wyniki testów EMC przemienników częstotliwości głównie w zakresie emisji
zaburzeń do otoczenia wykonywane są przez producentów tych urządzeń w typowych
warunkach budowy układu napędowego.
Przykładowe wyniki testów uzyskane podczas badania układu napędowego z
przemiennikiem częstotliwości, z ekranowanym/zbrojonym kablem silnikowym
przedstawiono w tab. 3.5.
Płaszczyzna uziemienia
L
1
L
2
L
3
PE
Z
Z
Z
Z
PE
C
S
PE
C
S
C
S
C
S
C
S
C
S
I
4
I
4
I
2
I
3
I
1
przewód uziemienia
ekranowanie
linia zasilania
przemiennik
częstotliwości
przewody silnikowe
silnik
-51-
Tab.3.5.
Przykładowe wyniki testów na emisj
ę
zakłóce
ń
przewodzonych dla VLT 5000
emisja
środowisko
środowisko przemysłowe
budynki mieszkalne, handlowe, przemysł lekki
VLT 5001- 5011
380-500V
VLT 5001- 5006
200 240V
norma podst.
EN 55011 klasa A1
EN 55011 klasa B1
EN 55014
konfiguracja
Kabel silnika
Przewodzona
150kHz-
30MHz
Indukowana
30MHz-
1GHz
Przewodzona
150kHz-30MHz
Indukowana
30MHz-1GHz
Przewodzona
150kHz-
230MHz
300m
nieekranowany
tak
nie
nie
nie
nie
50m
ekranowany
tak
tak
tak
2)
nie
nie
VLT 5000 z filtrem
RFI opcjonalnym
150m
ekranowany
tak
1)
tak
1)
nie
nie
nie
150m
ekranowany
tak
nie
nie
nie
nie
VLT 5000 ze
zintegrowanym filtrem
RFI i modułem LC
50m
ekranowany
tak
tak
nie
nie
nie
Uwagi: 1) dla VLT 5011/500V warunek moŜe być spełniony tylko jeśli maksymalna długość kabla
ekranowanego/zbrojonego wynosi 100m. 2) nie dotyczy 5011/500V i 5006/200V.
W celu minimalizacji zakłóceń przewodzonych przenoszonych do sieci
zasilającej oraz indukowanych z systemu z przemiennikiem częstotliwości, kable
silnika powinny być jak najkrótsze, a zakończenia ekranu powinny być wykonane
zgodnie z instrukcjami DTR.
Definicja dopuszczalnych poziomów emisji zaburze
ń
elektromagnetycznych
według normy PN-EN 55011.
Norma ta określa dopuszczalny poziom zaburzeń emitowanych przez
elektryczne wysokoczęstotliwościowe urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne
dla róŜnych środowisk pracy. Według normy PN-EN 55011 wartości emisji są
dzielone na trzy grupy: A-1, A-2, oraz B-1. Granice tych grup zostały przedstawione w
tab. 3.6.
Klasa A-1, A-2,
- urządzenia uŜywane w środowisku przemysłowym.
Klasa B-1: - urządzenia uŜywane w miejscach zasilania z sieci
publicznej: mieszkania, sklepy, przemysł lekki.
-52-
Tab.3.6. Granice emisji zaburze
ń
wg PN-EN55011.
częstotliwość
w MHZ
klasa A - grupa 2
klasa A - grupa 1
klasa B - grupa 1
środowisko przemysłowe
środowisko przemysłowe
środowisko mieszkaniowe
przeciętnie
przeciętnie
przeciętnie
0,15 – 0,50
90 dB (uV)
66 dB (uV)
56-46 dB (uV)
0,50 – 5
76 dB (uV)
60 dB (uV)
46 dB (uV)
5 – 30
80-60 dB (uV)
60 dB (uV)
50 dB (uV)
Na rys. 3.15 przedstawiono graficznie dopuszczalne granice poziomów emisji
zaburzeń elektromagnetycznych wg PN-EN55011.
Rys.3.15. Dopuszczalne granice emisji zaburze
ń
według normy EN 55011.
Tab.3.7. Normy okre
ś
laj
ą
ce dopuszczalne poziomy emisji zaburze
ń
dla okre
ś
lonych
ś
rodowiskach stosowania przekształtników nap
ę
dowych.
Środowisko/Norma
Budynki mieszkalne, handlowe i przemysł lekki
Środowisko przemysłowe
Rodzaj zaburzenia
Przewodzone
Indukowane
Przewodzone
Indukowane
PN-EN 50081-1
Klasa B
Klasa B
PN-EN 50081-2
Klasa A-1
Klasa A-1
PN-EN 61800-3
Klasa B
Klasa B
Wartości graniczne są rozwaŜane
PN-EN 61800-3
Klasa A-1
Klasa A-1
Wartości graniczne są rozwaŜane
Odporno
ść
przemysłowych przekształtników na zaburzenia elektromagnetyczne.
Dla potwierdzenia odporności na zaburzenia wytwarzane przez urządzenia
elektryczne producent obowiązany jest przeprowadzić określone testy potwierdzające
100
90
80
70
60
50
40
30
0,1 1 10 100
A-2
A-1
B-1
f [MHz]
uV [dB]
-53-
odporność przemiennika częstotliwości w róŜnych konfiguracjach pracy wraz
silnikiem i róŜnymi rodzajami kabla silnikowego.
Testy przeprowadza się zgodnie z następującymi normami podstawowymi:
PN-EN61000-4-2 (IEC 1000-4-2):
Wyładowania elektrostatyczne (ESD).
Symulacja wyładowań elektrostatycznych powodowanych przez istoty ludzkie.
PN-EN 61000-4-3 (IEC 1000-4-3):
Odbierane
promieniowanie
pola
elektromagnetycznego, modulowana amplituda.
Symulacja wpływu urządzeń radarowych i radiowych oraz systemów telefonii
przenośnej.
PN-EN 61000-4-4 (IEC 1000-4-4): Impulsowe stany nieustalone. Symulacja
zakłóceń powodowanych przez przełączanie styczników, przekaźników itp.
PN-EN 61000-4-5 (IEC 1000-4-5):
Udary.
Symulacja zakłóceń powodowanych przez np. bliskie wyładowania
atmosferyczne
ENV 50140: Odbierane pola elektromagnetyczne, modulacja i impulsowa.
Symulacja wpływy telefonii GSM.
ENV 50141: Wysokoczęstotliwościowe zakłócenia przewodzone.
Symulacja wpływu sprzętu radiowego podłączonego do kabli zasilających.
VDE 0160 klasa W2:
Udary napięcia.
Symulacja stanów nieustalonych o duŜej energii powodowanych przez np.
przepalenie bezpiecznika, załączanie pojemności korygujących współczynnik mocy
itp. [3].
3.5. LITERATURA DO ROZDZIAŁU
[1 ] Winter R.: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów elektrycznych z przekształtnikami
częstotliwości. Napędy i Sterowanie 1999.
[2 ] Pierzgalski W.: Diagnostyka odkształceń przebiegów napięć i prądów w sieciach elektroenergetycznych
niskiego i średniego napięcia. Napędy i Sterowanie – Elektroinstalacje Gdańsk 2000.
[3 ] Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne
Warszawa.
[4 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym zakłady
przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP’99.
[5] Strzelecki R., Supronowicz H.: Kompensacja wyŜszych harmonicznych prądów w układzie
hybrydowym złoŜonym z filtrów biernych. Przegląd elektroenergetyczny 1998.
Warszawa.
[6 ] Kowalski Z.: Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i UŜytkowanie Energii
Elektrycznej 1995.
[7 ] Przetwornice częstotliwości VLT 5000 Dokumentacja Techniczno Rozruchowa firmy Danfoss.
[8 ] Harmonics, No.: MN.90.F1.02 – Danfoss A/S.
[9 ] Hansen S.: New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss
Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000.
[10] Hansen S. i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives,
Danfoss Drives A/S – 2002.
[11 ] Hansen S. i inni: Simple and advanced methods for calculating Six-Pulse diode rectifier line-side
harmonics. Danfoss Drives A/S – 2002.
[12 ] The Danfoss Harmonic Filter AHF 005 and AHF 010.
[13 ] Szymański J. Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników
częstotliwości. Konferencja Naukowo Techniczna TRANSCOMP, Zakopane, Grudzień-2003, PRACE
NAUKOWE ELEKTRYKA NR 1(6) 2003 – PR.
-54-
4. PRZYKLADOWE ROZWIĄZANIA TECHNICZNE INSTALACJI
PREMYSŁOWYCH Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI
4.1. BEZPIECZNA OBSŁUGA URZĄDZEŃ
Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI ENERGOELEKTRONICZNYCMI
Urządzenia elektroniczne, podobnie jak wszystkie inne urządzenia elektryczne
muszą spełniać wymagania ochrony od poraŜeń, gwarantujące bezpieczną prace
obsłudze.
Zgodnie z obowiązującą normą PN – 93/E – 05009 kaŜde urządzenie
elektryczne musi być tak wykonane i zainstalowane, aby podczas eksploatacji zarówno
w stanie normalnej pracy, jak i w stanach awaryjnych na dostępnych dla obsługi
elementach i częściach tego urządzenia nie wystąpiło napięcie, które mogłoby stanowić
jakiekolwiek zagroŜenie poraŜeniowe.
W przypadku urządzeń energoelektronicznych dotyczy to obudowy
przekształtnika (konstrukcji szafy), pulpitu sterującego, obudowy silnika elektrycznego
zasilanego z tego urządzenia, jak i metalowej konstrukcji maszyny roboczej
.
Za niebezpieczne są uznane napięcia przemienne o wartościach skutecznych
wyŜszych niŜ 25 V i napięcia stałe przekraczające 60 V.
Zgodnie z ogólnymi zasadami ochrony od poraŜeń, w urządzeniach
energoelektronicznych stosuje się równoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim
i pośrednim (tzw. Ochrona podstawowa i dodatkowa) , tab. 4.1.
Do
szczególnych
wymagań
odnoszących
się
do
urządzeń
energoelektronicznych naleŜy konieczność umieszczania części przewodzących prąd w
obudowie o stopniu ochrony nie niŜszym niŜ IP2, tab. 4.2.
Drzwi obudowy powinny być zamknięte na klucz i wyposaŜone w wyłączniki,
wyłączające przekształtnik z sieci po ich otwarciu. Przekształtniki średniej i duŜej
mocy zaleca się instalować w oddzielnym zamkniętym pomieszczeniu.
Ś
rodki ochrony pośredniej (dodatkowej) muszą spełniać swoje zadanie w razie
uszkodzenia izolacji roboczej i w razie pojawienia się napięcia na osłonach urządzenia.
Ich działanie polega albo na szybkim samoczynnym wyłączeniu urządzenia, albo na
obniŜeniu napięcia dodatkowego na dostępnych przewodzących częściach urządzenia
do wartości nie stwarzającej zagroŜenia poraŜeniowego.
Obowiązująca norma PN – 93/E – 05009 jako zasadniczy środek ochrony
dodatkowej zaleca szybkie wyłączenie napięcia dotyku, zastępując dotychczas stoso-
wane zerowanie i uziemianie. Spełnienie wymogu ochrony przed tzw. Dotykiem
pośrednim, w odniesieniu do urządzeń energoelektronicznych, jest związane ze
stosowaniem: szybkich wyłączników prądu doziemienia, wyłączników przeciwporaŜen
iowych róŜnicowo prądowych, miejscowych połączeń wyrównawczych i dodatkowej i
zolacji uzupełniającej o izolację roboczą. obudowy, których elementy są odseparowane
podwójną izolacją galwaniczną od części przekształtnika przewodzących prąd nie
wymagają stosowania dodatkowych środków ochrony od poraŜeń.
-55-
Sposób wykonania obudów połączeń przeciwporaŜeniowych w urządzeniach
energoelektronicznych zaleŜy od typu linii zasilającej, do której jest przyłączone to
urządzenie.
Najczęściej urządzenia energoelektroniczne są zasilane z sieci trójfazowych
cztero i pięcioprzewodowych typu TT, TN – C, TN – S, TN – C -S.
Do ochrony od poraŜeń wykorzystuje się przewody PE lub PEN o przekrojach
nie mniejszych niŜ 4mm
2
Cu. Łączy się je z szynami ochronnymi, znajdującymi się
wewnątrz zamkniętych obudów urządzeń energoelektronicznych.
Szyny ochronne urządzeń energoelektronicznych pełnią funkcję zacisku
ochronnego. Najczęściej są wykonane z płaskownika miedzianego (np. o przekroju 2 x
20 mm i długości 1000 mm) i oznaczone symbolem PE.
Do szyn tych przyłącza się oddzielnie obudowę urządzenia, metalowe obudowy
wszystkich przyrządów i aparatów zainstalowanych w szafie przekształtnika, radiatory
bloków elektroizolowanych, drzwi szafy, pulpit sterujący, obudowę maszyny roboczej
lub innego odbiornika zasilanego z przekształtnika oraz metalowe elementy konstrukcji
budynku, instalacji centralnego ogrzewania i instalacji wodnej, znajdujących się w
pobliŜu przekształtnika.
Tab.5.3. Ochrona podstawowa i dodatkowa.
Rodzaj
obwodu
elektrycznego
Ochrona podstawowa
Ochrona dodatkowa
Obwody ni-
skiego napię-
cia,
U ≤ 24 V
nie wymaga się osłon jeŜeli:
obwody elektroniczne są izolowane
galwanicznie od obwodów energetycznych
podwójną izolacją (tzw. obwody SELV),
obwody energetyczne są izolowane;
stosowanie osłon (wspólnych dla części
energetycznej i sterującej przekształtnika)
jest wymagane, jeŜeli obwody
elektroniczne są separowane od obwodów
energetycznych pojedynczą izolacją
galwaniczną
przy uszkodzeniu izolacji w obwodach
elektronicznych stosuje się:
szybkie odłączenie całego urządzenia,
sygnalizację uszkodzenia;
obwody typu FELV zaleca się łączyć
galwanicznie z przewodem ochronnym lub
z uziemieniem
Obwody
energetyczne
o napięciu
U ≤ 1000 V
izolowanie części czynnie przewodzących
prąd, zastosowanie ogrodzeń i przegród
oraz obudów i osłon, zastosowanie barier
(przeszkód), umieszczenie urządzenia w
miejscu niedostępnym (poza zasięgiem
rąk)
naleŜy zastosować jeden lub kilka środków
ochrony z niŜej wymienionych: szybkie
wyłączenie urządzenia w razie wystąpienia
na obudowie napięcia przekraczającego
bezpieczną wartość napięcia dotykowego,
wykonanie połączeń galwanicznych
wyrównujących potencjały przedmiotów
na stanowisku pracy, zastosowanie
dodatkowej izolacji do izolacji
podstawowej (tzw. II klasa ochronności),
zwiększenie przekroju przewodu ochronno
– neutralnego PEN, zastosowanie
wyłącznika róŜnicowo – prądowego
wspomagającego szybkie odłączenie
urządzenia
-56-
Na
rys. 4.1
przedstawiono
schemat
ideowo-blokowy
urządzenia
energoelektronicznego zasilanego z linii TN–S, z zaznaczoną szyną ochronną PE oraz
z typowymi obwodami połączeń przeciwporaŜeniowych.
W przypadku wystąpienia doziemienia - do czasu zadziałania wyłącznika W,
wyposaŜonego w człon róŜnicowoprądowy następuje wyrównanie potencjałów między
obudową urządzenia a innymi, znajdującymi się w pobliŜu przyrządami i metalowymi
konstrukcjami, co zapobiega poraŜeniu napięciem dotykowym.
NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe kształt przebiegu czasowego jak i wartość prądu zwarcia
doziemnego urządzeń energoelektronicznych zaleŜy nie tylko od parametrów obwodu
doziemienia, lecz takŜe od stopnia wysterowania przekształtnika w chwili wystąpienia
awarii, co moŜe opóźnić działanie zabezpieczeń.
K
IW
Pulpit
steruj
ą
cy
PE
FELV
Układ
sterowania
i blokad
TN-S
O
W
B
X
6
GT
M
M
0
V
+
2
4
V
-1
5
V
+
1
5
V
Rys.4.1. Ochrona przeciwpora
Ŝ
eniowa w urz
ą
dzeniu energoelektronicznym zasilanym z sieci
TN-S. PE – przewód ochronny i szyna ochronna wewn
ą
trz szafy, K – konstrukcja
budynku i przewodz
ą
ce cz
ęś
ci maszyny roboczej, IW – instalacja wodna, O –
odł
ą
cznik r
ę
czny, W – wył
ą
cznik główny z członem ró
Ŝ
nicowo-pr
ą
dowym, B – szybkie
bezpieczniki topikowe; nie zaznaczono obwodów przeciwprzepi
ę
ciowych. [1]
-57-
Podczas normalnej eksploatacji obsługa urządzenia energoelektronicznego
prowadzona przez odpowiednio wyszkolony personel techniczny, polega na takich
czynnościach, jak: załączanie i wyłączanie urządzenia, odczyt wskazań przyrządów
pomiarowych, zmiana nastaw parametrów wyjściowych (np. prędkości kątowej
maszyny zasilanej z przekształtnika), przegląd podzespołów bez ich demontaŜu. Jest
przy tym niezbędne przestrzeganie instrukcji i zaleceń eksploatacyjnych określonych
przez producenta. W czasie pracy urządzenia energoelektronicznego nie wolno
demontować ani wymieniać jakichkolwiek osłon.
Przekazane odbiorcy przemysłowe urządzenie energoelektroniczne wymaga
zainstalowania, uruchomienia i strojenia przy współpracy z zasilanym z niego
obiektem (maszyną) z zachowaniem kolejności czynności określonych w instrukcji
obsługi i przestrzegania zasad bezpieczeństwa. Zwykle ten fragment prac jest
wykonywany przez specjalnie przeszkolonych pracowników serwisowych producenta,
którzy równieŜ przeprowadzają czynności w zakresie konserwacji, napraw i remontów
urządzeń energoelektronicznych.
Przed przystąpieniem do jakichkolwiek prac naprawczych naleŜy wyłączyć
urządzenie w taki sposób, aby uzyskać widoczną przerwę izolacyjną pomiędzy
przekształtnikiem a linią zasilającą. Przerwę taką stanowi: widoczne rozwarcie na
bezpieczną odległość zestyków odłącznika, luka powstała po wyjęciu wkładek
bezpiecznikowych lub zdemontowaniu części obwodu zasilania. Ewentualne obwody
pozostawione pod napięciem muszą być wyraźnie wydzielone, osłonięte i tak
oznakowane, aby osoby wykonujące czynności serwisowe wewnątrz przekształtnika
nie uległy poraŜeniu.
Konstrukcja metalowych szaf, w których instaluje się układy przekształtników
wraz z podzespołami sterującymi, jest przewaŜnie wykonana z typowych
kształtowników, skręcanych lub zgrzewanych w moduły o rozmaitych – często
zunifikowanych przez producenta wymiarach.
Wielu producentów przyjęło znormalizowane wymiary szaf, wynikające z zale-
canej przez normy międzynarodowe szerokości kaset układów sterujących, równej 19
cali (482,6 mm). Typowe szerokości szaf wynoszą 600, 800 i 1000 mm. Kształtowniki
tworzące podstawową ramę konstrukcji są perforowane, co ułatwia zaprojektowanie
rozstawienia i mocowania we wnętrzu szafy wsporników, do których przykręca się
podzespoły i elementy. Ściany boczne szafy są zwykle przykręcane śrubami, natomiast
z przodu i z tyłu montuje się otwierane drzwi.
Dzięki temu rozwiązaniu wewnętrzna konstrukcja przekształtnika jest, w razie
potrzeby, dostępna ze wszystkich stron. Na zewnątrz szafy na umieszczonej z przodu
płycie czołowej lub drzwiach są instalowane mierniki, wskaźniki sygnalizacyjne oraz
manipulatory (nastawniki potencjometryczne, przyciski sterownicze itp.). Liczba i
rodzaje wskaźników sygnalizacyjnych powinny być tak dobrane, aby dostarczały
obsłudze niezbędnych informacji o stanie układu. Manipulatory powinny być
rozmieszczone zgodnie z zasadami ergonomii i bezpieczeństwa pracy.
Obudowy szaf urządzeń energoelektronicznych powinny zapewniać ochronę
wnętrza szafy przed niekorzystnym oddziaływaniem otoczenia. Te stopnie ochrony
-58-
obudów oznacza się literami IP (z ang. international protection) i umieszczonymi za
nimi dwiema cyframi.
Pierwsza cyfra określa zdolność blokowania dostępu osób przed dotknięciem
części znajdujących się pod napięciem lub części będących w ruchu oraz stopień
ochrony przed przedostawaniem się ciał stałych do wnętrza szafy. Druga cyfra
wskazuje na stopień ochrony obudowy przed przedostaniem się wody do wnętrz
urządzenia. Stopnie ochrony obudów przedstawiono w tab. 4.2.
Tab.5.3. Stopnie ochrony (szczelno
ś
ci) obudów urz
ą
dze
ń
energoelektronicznych
Opis stopnia ochrony oznaczonego kodem IP
Stopnie ochrony określone pierwszą cyfrą kodu
Oznaczenie
cyfrowe
Brak ochrony
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niŜ 50 mm
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niŜ 12 mm
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niŜ 2,5 mm
Ochrona przed ciałami stałymi większymi niŜ 1 mm
Ochrona przed pyłem nie zapewniająca całkowitej pyłoszczelności
Ochrona zapewniająca pyłoszczelność
0
1
2
3
4
5
6
Stopnie ochrony określone drugą cyfrą kodu
Brak ochrony
Ochrona przed kroplami wody padającymi pionowo
Jak wyŜej, przy przechyle urządzeń o
0
15
względem ustawienia normalnego
Ochrona przed deszczem padającym pod kątem
0
60
Ochrona przed bryzgami wody kierowanymi z dowolnej strony
Ochrona przed strugami wody kierowanymi z dowolnej strony
Ochrona przed falami wody
Ochrona przed zalaniem wodą
Ochrona przed długotrwałym zanurzeniem w wodzie
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4.2.
WARUNKI EKSPLOATACJI I KOMPATYBILNOŚCI
URZĄDZEŃ ENERGOELEKTRYCZNYCH
Gwarantowane
przez
wytwórcę
poprawne
działanie
urządzenia
energoelektrycznego jest moŜliwe przy spełnieniu odpowiednich warunków.
Dotyczące one przede wszystkim środowiska, w którym to urządzenie ma pracować,
jakości linii zasilającej oraz poziomu zakłóceń elektromagnetycznych, oddziałujących
na przekształtnik.
Jednocześnie urządzenie energoelektryczne nie powinno być uciąŜliwe w
eksploatacji, a w szczególności nie powinno wpływać ujemnie na pracę innych
urządzeń technicznych przede wszystkim elektrycznych. Wzajemne dopasowanie
urządzenia energoelektronicznego do warunków środowiskowych i technicznych jest
nazywane kompatybilnością (z ang. compatibility zgodność, zdolność przystosowania
się). RozróŜnia się przy tym kompatybilność środowiskową (techniczno-klimatyczną),
kompatybilność z linią zasilającą i kompatybilność elektromagnetycnej.
-59-
4.2.6. W
ARUNKI ŚRODOWISKOWE
O warunkach środowiskowych, zwanych takŜe warunkami techniczno-
klimatycznymi, decydują następujące czynniki:
•
temperatura i wilgotność powietrza;
•
zanieczyszczenia powietrza stałymi cząstkami pyłu przewodzącego i nie
przewodzącego prąd;
•
zawartość w powietrzu gazów wybuchowych i par agresywnych chemicznie,
wywołujących korozję i stwarzających niebezpieczeństwo wybuchu;
•
temperatura czynnika chłodzącego;
wysokość połoŜenia miejsca zainstalowania urządzenia pod poziomem morza;
natęŜenie udarów, drgań i wstrząsów mechanicznych w miejscu zainstalowania
(np. wibracje urządzeń w lokomotywach elektrycznych, na statkach, w obrabiarkach
itp.).
Norma IEC 146-1-1 określa tzw. normalne warunki eksploatacji, podając
dopuszczalne zakresy zmian niektórych z wymienionych czynników środowiskowych.
Zasadniczym elementem środowiskowym decydującym o poprawnej pracy urządzenia
energoelektronicznego jest temperatura otoczenia i temperatura czynnika chłodzącego.
W czasie transportu i składania, temperatura powietrza otaczającego urządzenie
energoelektroniczne powinna mieścić się w przedziale -40
÷
+55
°
C. Podczas pracy
urządzeń wnętrzowych, gdy chłodzące powietrze jest pobierane z otoczenia, jego
temperatura powinna mieścić się w przedziale 0
÷
+40
°
C. Często jest konieczne
odprowadzenie ciepłego powietrza z pomieszczenia, w którym pracuje przekształtnik.
Rys.4.2. Zale
Ŝ
no
ść
dopuszczalnej wzgl
ę
dnej obci
ąŜ
alno
ś
ci urz
ą
dze
ń
energoelektronicznych: od
wysoko
ś
ci - h, ich lokalizacji (krzywa h), oraz temperatury T powietrza otoczenia
(krzywa T)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1000
2000
3000
4000
0
20
40
60
80
C
O
T
m
h
P
P
N
T
h
-60-
Tab.4.3. Dopuszczalne chwilowe ekstremalne temperatury czynnika chłodz
ą
cego na
wej
ś
ciu systemu chłodzenia (wg PN – IEC 146-1-1)
Dopuszczalna temperatura [
]
0
C
Czynnik
Minimalna
Maksymalna
Powietrze
Woda
Olej
0
+5
-5
+40
+30
+30
Przy chłodzeniu wodnym temperatura otoczenia nie moŜe być niŜsza niŜ zero.
W tablicy 4.3. podano dopuszczalne zmiany temperatury czynników
chłodzących na początku ich obiegu w systemie chłodzenia. Średnia dzienna
maksymalnych temperatur czynników chłodzących na początku obiegu (przy wlocie
do obudowy) nie moŜe przekraczać +30
°
C, a średnia roczna +25
°
C.
Minimalna dopuszczalna wartość wilgotności względnej otaczającego
powietrza wynosi 15%. Standardowe konstrukcje urządzeń energoelektronicznych są
projektowane dla powietrza czystego, pozbawionego jakichkolwiek cząstek stałych,
gazów i par (stopień zanieczyszczenia 1 wg PN-91/E-08109) oraz przy załoŜeniu, Ŝe
nie występuje zjawisko kondensacji pary (brak szybkich zmian temperatury i ciśnienia
atmosferycznego). Zakłada się równieŜ, Ŝe urządzenie będzie zainstalowane w miejscu
połoŜonym na wysokości nie przekraczającej 1000 m nad poziomem morza.
Warunki środowiskowe o parametrach innych niŜ wymienione wyŜej są
uznawane jako nienormalne i powinny być przedmiotem specjalnych uzgodnień
między dostawcą a uŜytkownikiem.
Jako przykładowe, często występujące w praktyce nienormalne warunki pracy
moŜna wymienić :
-
wodę chłodzącą, zawierającą składniki powodujące korozję lub
niedroŜność instalacji (np. woda twarda, woda morska);
-
obce
cząstki
w
otaczającym
powietrzu
(np.
duŜy
stopień
zanieczyszczenia i kurz);
-
zawartość domieszek eksplozyjnych w powietrzu, w tym pyłków i
gazów;
-
powietrze o duŜej zawartości gazów i par korozyjnych (np. w pobliŜu
morza, spaliny, opary kwasów);
-
duŜą
wilgotność
względną
i
wysokie
temperatury
ś
rednie,
odpowiadające warunkom klimatu subtropikalnego i tropikalnego;
-
szybkie zmiany temperatury otoczenia powyŜej 5 K/h) i wilgotności
względnej (przekraczające 5%/h), wywołujące efekt skraplania;
-
pracę w temperaturach niŜszych niŜ minimalne dopuszczalne
temperatury środka chłodzącego, (tzw. Arktyczne warunki pracy), występujące np. w
urządzeniach trakcyjnych;
-
miejsce zainstalowania powyŜej 1000 m nad poziomem morza;
-61-
-
udary i wibracje oraz inne napręŜenia mechaniczne o duŜej
intensywności.
Specjalne wymagania są stawiane urządzeniom przeznaczonym do pracy w
obszarach zagroŜonych wybuchem i w pomieszczeniach o wyjątkowym zagroŜeniu
poŜarowym. Muszą one charakteryzować starannym wykonaniem wszelkich połączeń,
gwarantujących pracę bez iskrową.
Obudowa takich urządzeń musi być szczelna (tzw. Zamknięta) o stopniu
ochrony IP44 lub IP54, tab.4.2.
Przekształtniki instalowane w środowisku o duŜym zapyleniu i duŜej
wilgotności muszą wykazywać odporność na te czynniki. Uzyskuje się ją poprzez
spełnienie wymagań w zakresie koordynacji izolacji. W przekształtnikach takich
stosuje się m.in.:
zwiększone odstępy izolacyjne między przewodami czynnie przewodzącymi prąd
(np. odstępy izolacyjne między przewodami ułoŜonymi na powierzchni
materiału izolacyjnego muszą być nawet czterokrotnie większe niŜ w
powietrzu);
obwody drukowane pokrywane lakierem, Ŝywicą lub zalewane specjalną masą
izolacyjną;
materiały izolacyjne nie pochłaniające wilgoci (np. porcelana);
pyłoszczelne obudowy zamknięte;
Przy
chłodzeniu
powietrznym,
intensywność
odparowywania
ciepła
wydzielanego
w
urządzeniu
energoelektronicznym
zaleŜy
od
ciśnienia
atmosferycznego, którego wartość jest m.in. związana z wysokością miejsca
zainstalowania przekształtnika nad poziomem morza.
Na rys. 4.2 przedstawiono przykładowe wykresy ilustrujące redukcję
osiąganych
mocy
wyjściowych,
odniesionych
do
mocy
znamionowych
przekształtników w zaleŜności od wysokości ich zainstalowania oraz od temperatury
otoczenia przy zmianach tych czynników w warunkach uwaŜanych za normalne i
nienormalne [1].
W wielu przypadkach przekształtniki muszą wykazywać odporność na wibracje
i udary mechaniczne, które mogą wywoływać drgania rezonansowe przewodów i
innych podzespołów, powodując pęknięcia lub inne uszkodzenia mechaniczne.
Przekształtniki naraŜone na takie warunki pracy są odpowiednio konstruowane i
poddawane badaniom wstrząsowym.
Na przykład urządzenia przeznaczone do zamontowania na lokomotywach
elektrycznych w trakcie badań są wprowadzane w drgania o częstotliwościach
1
÷
100Hz, z przyspieszeniem 30m/s
2
w trzech kierunkach.
Niekorzystny wpływ urządzeń przekształtnikowych na otoczenie (w tym
równieŜ na personel obsługujący) dotyczy przede wszystkim hałasu, wywołanego
pracą wentylatorów oraz drgań uzwojeń, blach dławików i transformatorów.
-62-
Maszyny elektryczne zasilane z przekształtników -z uwagi na odkształcone
przebiegi czasowe prądów są równieŜ źródłem hałasu. Niedogodnością jest takŜe
wzrost
temperatury
powietrza
w
pomieszczeniach
z
zainstalowanymi
przekształtnikami. [1]
4.2.7. E
LEKTRYCZNE
WARUNKI
PRACY
I
KOMPATYBILNOŚĆ
ELEKTROMAGNETYCZNA
Ciągle wzrastająca liczba róŜnych odbiorników przyłączanych do systemu
elektroenergetycznego wpływa na intensywność wzajemnego oddziaływania między
tymi odbiornikami, prowadzącego najczęściej do pogorszenia ich elektrycznych
warunków pracy. Oddziaływanie to odbywa się za pośrednictwem wzajemnych
sprzęŜeń galwanicznych przez sieć zasilającą oraz przez fale elektromagnetyczne
emitowane przez poszczególne odbiorniki (z ang. electromagnetic interferencje –
EMI).
Problemy wzajemnego oddziaływania odbiorników na elektryczne warunki ich
eksploatacji wchodzą w zakres kompatybilności elektromagnetycznej (z ang.
electromagnetic compatibility - EMC) urządzeń elektrycznych, a w tym i
kompatybilności z linią zasilającą.
Przekształtniki energoelektroniczne oddziałują niekorzystnie na linię zasilającą i
są źródłem zakłóceń elektromagnetycznych. Same są teŜ wraŜliwe na zakłócenia
docierające zarówno od strony źródła zasilania, jak i za pośrednictwem pól
elektromagnetycznych wytwarzanych we własnych obwodach głównych oraz
emitowanych przez inne urządzenia.
Elektryczne warunki pracy urządzeń energoelektronicznych są określone przede
wszystkim parametrami linii zasilającej prądu przemiennego lub stałego,
intensywnością róŜnego rodzaju zakłóceń elektromagnetycznych oraz rodzajem
obciąŜenia.
4.2.8. Z
ASILANIE NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM PRZEKSZTAŁTNIKÓW
Na niezawodną i bezpieczną pracę przekształtników sieciowych zasadniczy
wpływ ma jakość napięcia przemiennego jedno- lub trójfazowej linii zasilającej. O
jakości tego napięcia decydują następujące czynniki:
długo i krótkotrwałe róŜnice wartości skutecznej napięcia linii w odniesieniu do
skutecznej wartości znamionowej;
stopień odkształcenia przebiegu czasowego napięcia linii od idealnego
przebiegu sinusoidalnego;
wolno- i szybkozmienne róŜnice częstotliwości napięcia linii w odniesieniu do
częstotliwości znamionowej;
asymetria napięcia linii wielofazowych, określona w radianach albo jako
zawartość składowej symetrycznej przeciwnej wyraŜona w procentach
składowej symetrycznej zgodnej.
-63-
Znamionowe
wartości
skuteczne
napięć
przemysłowych
linii
elektroenergetycznych wewnątrzzakładowych wynoszą 230V, 400V, 500V, lub 600V,
przy znamionowej wartości częstotliwości równej 50Hz. W zaleŜności od poziomu i
zakresu zmian wymienionych czynników rozróŜnia się sieci elektroenergetyczne
przeznaczone tylko do zasilania przekształtników energoelektronicznych, sieci
ogólnego uŜytku (obciąŜone takŜe maszynami prądu przemiennego) oraz sieci
wysokiej jakości, przeznaczone do zasilania odbiorników o duŜej wraŜliwości na
zmiany warunków zasilania.
Zgodnie z normą PN-IEC 146-1-1 przekształtniki zasilane z danego rodzaju
sieci elektrycznej muszą być odporne (dopasowane) na występujące w niej zmiany i
zniekształcenia napięcia. W zaleŜności od rodzaju sieci, rozróŜnia się trzy klasy
odporności przekształtników spełniające warunki kompatybilności z tymi sieciami,
określone w tabl. 4.4 symbolami A, B, C.
Tab.4.4. Klasy odporno
ś
ci przekształtników sieciowych (wg PN-IEC 146-1-1)
Klasy odporności
Zmiany napięcia i częstotliwości linii zasilającej
A
B
C
MoŜli-wy
skutek
Zmiany napięcia w stanie ustalonym, %
+10/-10
+10/-10
+10/-5
F
Krótkotrwałe zmiany napięcia
(0,5
÷
30 okresów), %;
praca prostownikowa (U
dN ,
I
dN
)
praca falownikowa (U
dN
, I
dN
)
+15/-15
+15/-15
+15/-10
+15/-10
+15/-10
+15/-7,5
T
T
Wskaźnik zawartości wyŜszych harmonicznych, %
25
10
5
F
Zawartość składowych harmonicznych w stanie ustalonym, %:
składowe nieparzyste
składowe parzyste
12,5
2
5
2
2,5
1
F
F
Załamania komutacyjne w stanie ustalonym:
głębokość (w % amplitudy U
LWM
)
powierzchnia (% razy st. elekt.)
100
625
40
250
20
125
T
T
Zakres zmian częstotliwości, %
+2/-2
+2/-2
+1/-1
F
Szybkość zmian częstotliwości, %/s
+2/-2
+1/-1
+1/-1
F
W stanie ustalonym
5
5
2
F
Asymetria
napięcia
trójfazowego*,
%:
zmiany krótkotrwałe:
tylko praca prostownikowa
praca prostownikowa
i falownikowa
5
5
5
5
3
2
T
T
*Składowa symetryczna przeciwna podawana w procentach składowej symetrycznej zgodnej.
Przekroczenie dopuszczalnych tolerancji wielkości charakteryzujących jakości
linii zasilającej moŜe spowodować:
utratę
właściwości
przekształtnika
polegającą
np.
na
zmniejszeniu
dopuszczalnej mocy wyjściowej (poziom skutku F);
przerwę w pracy na skutek zadziałania zabezpieczeń (poziom skutku T) z
automatycznym ponownym załączeniem po zaniku zakłóceń bądź z załączeniem
wymagającym interwencji obsługi (np. wymiana bezpieczników);
stałe uszkodzenie przekształtnika (poziom skutku D), które moŜe wystąpić np. na
skutek duŜego przepięcia w sieci, niszczącego przyrządy półprzewodnikowe.
-64-
Jeśli przyszły uŜytkownik nie precyzuje warunków zasilania, zwykle przyjmuje
się klasę odporności B.
Wymagania klasy A stosuje się do urządzeń przeznaczonych do pracy w
trudnych warunkach zasilania, występujących np.: przy bezpośrednim przyłączeniu
kilku przekształtników do wspólnego transformatora bądź teŜ w przypadku sieci
autonomicznych (okrętowych, zespołów prądotwórczych itp.) o małej mocy
zwarciowej.
Przekształtnik
klasy
A
są
zalecane
takŜe
w
przypadku,
gdy
prawdopodobieństwo przekroczenia warunków zasilania przypisanych klasie B lub C
jest niewielkie, ale skutki awarii byłyby kosztowne lub niebezpieczne.
Dotyczy to równieŜ przypadku, gdy przewiduje się przyłączenie następnych
przekształtników lub innych odbiorników negatywnie oddziałujących na linię
zasilającą. Produkcja oraz eksploatacja przekształtników o wysokiej odporności jest
bardzo kosztowna.
Wymagania klasy B stosuje się do przekształtników zasilanych z sieci
elektroenergetycznej ogólnego przeznaczenia łącznie z innymi odbiornikami prądu
przemiennego, np. z róŜnego rodzaju silnikami. Przekształtniki wykonane w klasie B
mogą być takŜe stosowane w trudnych warunkach zasilania, jeśli przewiduje się
dodatkowe środki poprawiające te warunki (np. tłumiki przepięć transformatory
separujące, filtru wyŜszych harmonicznych, kompensatory itd.) tak by odpowiadały
one niŜszemu poziomowi zakłóceń od wymagań klasy B.
Przekształtniki klasy C mogą być zainstalowane w rozgałęzionych sieciach
niewielkiej mocy o stałym obciąŜeniu, jednak przy zachowaniu duŜej wartości
stosunku mocy zwarciowej sieci do mocy pozornej wejściowej przekształtnika. Przy
spełnieniu tego warunku nie nastąpi istotna zmiana poziomu zniekształcenia napięcia
linii.
NaleŜy pamiętać, Ŝe zniekształcenia napięcia linii powodowane przez
przyłączony do niej przekształtnik, sumowane ze zniekształceniami juŜ występującymi
w tej linii, nie mogą przekroczyć granic ustalonych dla danej klasy odporności
instalowanego przekształtnika. PrzewaŜnie spełnienie tego wymagana wiąŜe się z
koniecznością stosowania dławików sieciowych bądź transformatorów. Wyjątek mogą
stanowić tylko przekształtniki o klasie odporności A.
Nieokresowe odkształcenia przebiegu czasowego napięcia linii zasilającej mają
przewaŜnie charakter impulsów przepięciowych. W przypadku linii średnich i niskich
napięć odkształcenia te są związane głównie z procesami załączania i wyłączania
odbiorników w stanie zwarcia (np. przepalenie bezpieczników), a w przypadku linii
napowietrznych – równieŜ z wyładowaniami atmosferycznymi. Przepięcia będące
wynikiem procesów łączeniowych mogą osiągnąć wartości dochodzące do 2,5-krotnej
amplitudy napięcia znamionowego.
Uderzenia piorunów w przewody linii napowietrznej wywołują przepięcia
dochodzące do dziesięcio a nawet stukrotnej wartości amplitudy napięcia
znamionowego.
-65-
Oprócz niepowtarzalnych impulsów przepięciowych w przebiegach czasowych
napięć wejściowych przekształtników sieciowych występują odkształcenia okresowe,
będące wynikiem procesów komutacyjnych, zachodzących w tych przekształtnikach i
w przekształtnikach sąsiednich, zasilanych w tej samej linii.
Odkształcenia te mają charakter tzw. załamań komutacyjnych, które w
początkowej i końcowej fazie wykazują oscylacje o kształcie okresowych impulsów
przepięciowych.
Na rys. 4.3 przedstawiono przykładowy przebieg czasowy napięcia
przemiennego, wykazujący impulsowe przepięcia niepowtarzalne o wartości szczy-
towej U
LSM
oraz załamania i przepięcia komutacyjne, dla trójfazowego przekształtnika
mostkowego (diodowego lub tyrystorowego).
Odchylenia przebiegu czasowego napięcia linii zasilającej od przebiegu
sinusoidalnego moŜna scharakteryzować podając odpowiednie parametry opisujące
impulsy przepięciowe i załamania komutacyjne oraz podając zawartości wyŜszych
harmonicznych odkształconego napięcia.
Zgodnie z normą impulsy przepięciowe mają charakterystyczne następujące
parametry (w nawiasach podano typowe wartości):
energia przejściowego przebiegu impulsowego w J (np. 400S
tN
przy przerwaniu
prądu pracy jałowej transformatora o mocy znamionowej S
tN
w MV
⋅
A);
czas narastania impulsu 0,1
÷
0,9 wartości szczytowej (np. 1
µ
s);
powtarzalna wartość szczytowa napięcia, wyraŜona stosunkiem U
LRM
/U
LWM
(np.
1,25);
niepowtarzalna wartość szczytowa napięcia, wyraŜona stosunkiem U
LSM
/U
LWM
(np. 2
÷
2,5 przy zastosowaniu typowego obwodu tłumiącego);
czas trwania ponad 0,5 wartości szczytowej impulsu przypadkowego (np. 1
÷
300
µ
s).
U
LWM
U
LRM
U
U
LSM
A
∆
µ
ω
t
ω
t
a
a
a
-66-
Rys.4.3. Przykładowy przebieg czasowy napi
ę
cia przemiennego zasilaj
ą
cego przekształtnik
sze
ś
ciopulsowy mostkowy. U
LWM
– warto
ść
szczytowa robocza napi
ę
cia fazowego linii,
U
LRM
– warto
ść
szczytowa powtarzalna napi
ę
cia linii, U
LSM
– warto
ść
szczytowa
niepowtarzalna napi
ę
cia linii, t
a
– czas trwania ponad 0,5 warto
ś
ci szczytowej
niepowtarzalnej napi
ę
cia linii, A – powierzchnia załamania komutacyjnego
Dobierając klasy napięciowe elementów półprzewodnikowych wchodzących w
skład przekształtników sieciowych, naleŜy uwzględnić zarówno przepięcia impulsowe
występujące
w
linii
zasilającej
w
miejscu
zainstalowania
urządzenia
energoelektronicznego, jak i zastosowane środki zabezpieczające.
W zaleŜności od uŜytej aparatury rozdzielczej, rodzaju elementów tłumiących
przepięcia (odgromniki, warystory, kondensatory, filtry reaktancyjne) w instalacjach o
napięciu 230/400 V mogą wystąpić przepięcia impulsowe o wartościach szczytowych
dochodzących do 6 kV. Przekształtniki zasilane z takich instalacji są projektowane
najczęściej na napięcia o wartościach szczytowych 2,5 kV.[1]
Przy danym obciąŜeniu i kącie wysterowania przekształtnika sterowanego
fazowo, wartość głębokości załamania komutacyjnego
∆
U oraz kąt komutacji
µ
zaleŜą
od indukcyjności linii L
L
i indukcyjności dławików sieciowych bądź indukcyjności
rozproszenia transformatora przekształtnikowego L
S
.rys. 4.4. Indukcyjności L
L
i L
S
są
połączone w czasie komutacji szeregowo, tworząc dzielnik indukcyjny. Im mniejsza
jest reaktancja linii X
L
=
ω
L
L
w stosunku do reaktancji dławika sieciowego X
S
=
ω
L
S
tym mniejsze są załamania komutacyjne.
Odbiornik
I
S
L1,L2,L3
U
L
L
L
U
L1’,L2’,L3
e
d
a)
2L I
u
I
2L
L d
S d
u
u
21
2’1’
t
e
0
b)
-67-
Rys.4.4. Zasilanie przekształtnika sieciowego: a) schemat zast
ę
pczy systemu zasilania; b)
przebiegi czasowe napi
ę
cia zasilaj
ą
cego w czasie komutacji
Względną wartość załamania komutacyjnego moŜna wyrazić zaleŜnością
S
L
L
LWM
X
X
X
U
U
d
+
=
∆
=
(4.1)
W celu zachowania określonej wartości tego załamania naleŜy zastosować
dławiki sieciowe o reaktancji
C
LN
s
S
U
d
d
X
2
min
3
1
−
=
(4.2)
Przy czym S
C
jest mocą zwarciową linii, wyraŜoną zaleŜnością:
L
LN
C
X
U
S
2
=
(4.3)
Przy opisie odkształceń napięcia sieci za pomocą składowych harmonicznych
wykorzystuje się następujące wskaźniki:
U
U
hn
hn
=
ω
(4.4)
U
U
n
hn
hu
∑
∞
=
=
2
ω
(4.5)
przy czym
ω
hn
– współczynnik zawartości harmonicznej n-tego rzędu;
ω
hu
–
współczynnik zawartości wyŜszych harmonicznych (globalny lub wypadkowy
współczynnik odkształcenia); U, U
hn
– wartość skuteczna odkształconego napięcia linii
i n-tej harmonicznej tego napięcia.
W przypadku, gdy kilka przekształtników jest połączonych do tych samych
zacisków linii zasilającej bądź tych samych końcówek uzwojenia wtórnego
transformatora przekształtnikowego, nie naleŜy spodziewać się, aby ogólna
powierzchnia wszystkich załamań komutacyjnych podczas jednego okresu napięcia
linii przekroczyła czterokrotną powierzchnię podaną dla pojedynczego podstawowego
załamania komutacyjnego. [1]
4.3. MODELE PRZEKSZTAŁTNIKÓW Z ODBIORNIKAMI
Przy projektowaniu obwodu sterowania do urządzeń energoelektronicznych nie
jest praktycznie moŜliwe pominiecie właściwości współpracującego z tym
przekształtnikiem odbiornika.
-68-
Niezbędne jest stosowanie modelu obejmującego zjawiska i charakterystyki,
które są decydujące dla sterowanego procesu (lub procesów) i jednocześnie
dopasowanego do przyjętej metody sterowania i struktury systemu. Zagadnienie
wyboru czy tworzenia modelu systemu ma kluczowe znaczenie dla łatwości i jakości
sterowania.
Szczególnego rozwaŜania wymagają takie zagadnienia, jak dokładność i
liniowość, stopień złoŜoności czy przejrzysta interpretacja przyjętego modelu. Często
konieczne jest posługiwanie się kilkoma modelami o róŜnym stopniu złoŜoności i
dokładności dla porównania i wyboru modelu najbardziej zgodnego z doświadczeniem.
Głównym obszarem zainteresowania dotyczącym układów sterowania są
właściwości systemu w stanach dynamicznych, a zatem ich zdolność do stabilnej pracy
przy szybkim osiąganiu zadanych wielkości wyjściowych (np. prądu, napięcia,
prędkości obrotowej). Oznacza, to, Ŝe model musi uwzględniać nie tylko
charakterystyki statyczne, ale równieŜ właściwości dynamiczne obiektu z
przekładnikiem.
Przekształtnik jako główny blok wykonawczy w torze sterowania obiektem
(odbiornikiem)
stanowi
konfigurację
elementów
liniowych
(dłąwików,
kondensatorów) i łączników (przyrządów półprzewodnikowych), których nie liniowość
wynika z ich zasady działania.
PoniewaŜ w urządzeniach energoelektronicznych czas trwania cyklu
Łączeniowego przy formowaniu i sterowaniu wielkości wyjściowych przekształtnik
jest znacznie krótszy od stałych czasowych odbiornika lub stosowanego na wyjściu
filtru, moŜliwe jest zastosowanie metody uśrednienia wartości napięć i prądów w
pewnym przedziale czasu, zwykle równym cyklowi przełączeń.
Model przekształtnika sformułowany dla uśrednionych wartości napięć i
prądów podlega ogólnym prawom analizy obwodów.
Typowe przykłady operacji uśredniających prowadzących do liniowego modelu
przekształtnika zostały pokazane na rys. 4.5.
Prosty układ łącznika jako impulsowego regulatora napięcia stałego, rys. 4.5a
moŜe być traktowany jako człon proporcjonalny, którego napięcie wyjściowy jest
równe wartości średniej za okres impulsowania. PoniewaŜ napięcie na wyjściu łącznika
zaleŜy od stanu przewodzenia łącznika (tzw. funkcji łączeń), procedura uśrednienia
moŜe zostać sprowadzona do samej funkcji łączeń S(t).
Ilustrują to przebiegi, z rys. 4.5b sygnał sterujący przekładnika U
st
podlega
przetworzeniu na sygnał impulsowy o wartości maksymalnej równej 1 i
współczynniku wypełnienia proporcjonalnym do napięcia sterującego.
W większości przypadków, z uwagi na duŜą częstotliwość łączeń, pomija się
efekt opóźnienia w sterowaniu napięciem związany z czasem martwym wynikającym z
okresu impulsowania.
Obwód wyjściowy przekształtnika w rozpatrywanym przykładzie odpowiada
typowemu obciąŜeniu -obwodowi RL, który występuje w przypadku regulacji prądu.
-69-
Oznacza to, Ŝe elementarny obwód regulacji spotykany w energoelektronice
moŜe być rozpatrywany jako człon pierwszego rzędu o stałej czasowej T= L
o
/R
o
i
wzmocnieniu odpowiadającym wzmocnieniu przekształtnika impulsowego.
Rys.4.5. Model
przekształtnika
impulsowego
zasilanego
ze
ź
ródła
napi
ę
cia.
a) schemat układu, b) przebiegi w modelu przy skokowej zmianie wielko
ś
ci steruj
ą
cej,
c) schemat blokowy układu jako członu regulacji
Niekiedy
opóźnienie
wywołane
dyskretnym
procesem
sterowania
przekształtnika nie powinno być pominięte przy formułowaniu dynamicznego modelu.
Typowy przykład takiej sytuacji odpowiada sterowaniu tyrystorowego prostownika.
Zgodnie ze schematem, rys. 4.6a zmiana wejściowego sygnału sterującego
powoduje reakcję układu z opóźnieniem, rys. 4.6b, którego wartości moŜe nie zmieniać
od 0 do T/p (gdzie T- okres napięcia sieci zasilającej, p- liczba pulsów prądu
wyjściowego w okresie). Dla odzwierciedlenia opóźnienia przyjmuje się, Ŝe oprócz
członu wzmacniającego jest reprezentowany przez człon opóźniający e
-sT
. [1]
-70-
Rys.4.6. Model prostownika tyrystorowego.; a) schemat układu; b) przebiegi napi
ęć
; c) schemat
zast
ę
pczy prostownika tyrystorowego pracuj
ą
cego w obwodzie regulacji pr
ą
du jest
reprezentowany przez model blokowy.
Zgodnie z ogólnym załoŜeniem podstawowe metody projektowania i syntezy
układów regulacji dotyczą układów liniowych. Brak liniowości systemu przekładnika
ze sterowanym przez niego obiektem jest niestety dosyć częstym przypadkiem.
Konieczne jest wtedy dokonanie odpowiednich transformacji prowadzących do
linearyzacji modelu.
Dobry przykład stanowi tu omawiany prostownik tyrystorowy (rys. 4.6a).
zaleŜność miedzy wartością średnią napięcia wyjściowego a sygnałem sterującym –
kątem późnienia załączenia jest opisana funkcją trygonometryczną (cos). W celu
uzyskania liniowości konieczne jest wprowadzenie na wejściu układu sterowania
prostownika bloku (nastawnika kąta) odwzorowującego funkcję odwrotną do
reprezentowanej przez sam przekształtnik.
Stosowanie do tego w modelu prostownika naleŜy, rys. 4.7 w torze sterowania
uwzględnić blok, ,,arc cos’’, dzięki czemu uzyska się pełną linearyzację zaleŜności
między sygnałem wejściowym i wyjściowym.
Rys.4.7. Metoda linearyzacji układu sterowania prostownika tyrystorowego
Innym sterowanym z przekładnika i trudnym do linearyzacji obiektem jest
trójfazowa maszyna indukcyjna. SprzęŜenia elektromagnetyczne występują między
fazami prowadzą do występowania nieliniowych zaleŜności uniemoŜliwiających
-71-
niezaleŜne sterowanie strumieniem magnetycznym (wzbudzeniem) i momentem.
Metodą powszechnie stosowaną do rozwiązania tego zadania jest wprowadzenie
transformacji nieliniowej, która powoduje utworzenie modelu o odsprzęŜonych
zmiennych sterowanych. [2]
4.4. LITERUTURA DO ROZDZIAŁU
[1] Poradnik inŜyniera energoelektronika. Mieczysław Nowak, Roman Barlik.(roz.37).
[2] Mgr inŜ. A. Michalski, Mgr inŜ. A. Pyka Mgr inŜ. F. .Szczucki, Centrum EMAG,
Katowice. Bezpieczeństwo w elektryce
5. ZABEZPIECZANIE SILNIKÓW ZASILANYCH Z POŚREDNICH
PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI
Przekształtniki energoelektroniczne na dobre zadomowiły się w obwodach
silników elektrycznych i to w roli, przede wszystkim jako rozruszniki umoŜliwiające
„łagodny rozruch” (ang. Softstart) i róŜnorodne procedury hamowania i zatrzymywania
silników oraz jako regulatory prędkości obrotowej. W powiązaniu z układami
mikroprocesorowego sterowania, swobodnie programowalnymi przez uŜytkownika,
powstają układy napędowe o cechach eksploatacyjnych i charakterystykach
technicznych dawniej niewyobraŜalnych. Mimo wysokiego kosztu inwestycyjnego
łatwo uzasadnić ich opłacalność w odpowiedzialnych zastosowaniach. Prostsze i tanie
rozwiązania przekształtników spotyka się w urządzeniach, którym stawia się
niewygórowane wymagania, równieŜ w sprzęcie powszechnego uŜytku.
Silniki powiązane z przekształtnikami podlegają ogólnym zasadom
zabezpieczania obwodów silnikowych z uwzględnieniem ogólnych naraŜeń, jakim
podlegają, i szczególnych moŜliwości, jakie daje bogate wyposaŜenie w przetworniki,
czujniki i mierniki układów przekształtnikowych do zastosowań przemysłowych.
Sprawę komplikuje mała odporność na przetęŜenia i przepięcia zaworów
półprzewodnikowych, bo i sam przekształtnik, na ogół znacznie droŜszy niŜ silnik,
wymaga wyrafinowanych układów zabezpieczeń. Stosowane rozwiązania są złoŜone i
róŜnorodne, bo dotyczą przekształtników i silników o róŜnej zasadzie działania i
koncepcji budowy, o róŜnych zakresach napięcia znamionowego i mocy znamionowej.
Te pozornie niepodobne rozwiązania techniczne opierają się jednak na tych samych
zasadach elektrotechniki stosowanej, na tych samych uznanych regułach technicznych
ujętych w normach i przepisach, i te ogólne zasady trzeba wyraźnie dostrzegać.
Przegląd róŜnorodnych stosowanych układów silnik-przekształtnik i ich zabezpieczeń
byłby grubą księgą. W poniŜszym tekście chodzi raczej o wytyczenie drogowskazów
pomocnych w większości sytuacji, a podawane informacje szczegółowe odnoszą się do
układu najpowszechniej stosowanego: trójfazowego niskonapięciowego silnika
klatkowego zasilanego poprzez pośredni przemiennik częstotliwości z instalacji prądu
przemiennego o układzie TN.
-72-
5.1. PRZEGLĄD ZABEZPIECZEŃ OBWODÓW SILNIKOWYCH
Silnik zasilany z przekształtnika pozostaje silnikiem i dotyczą go ogólne
wymagania dotyczące zabezpieczania silników i obwodów silnikowych. Informacje
podawane w tym rozdziale dotyczą wprawdzie wszelkich niskonapięciowych silników
trójfazowych, ale są ukierunkowane na specyfikę zasilania silnika z przekształtnika,
zwłaszcza z pośredniego przemiennika częstotliwości. Nie uwzględniają jednak
szczególnych naraŜeń silnika i aparatów zabezpieczających w obwodzie z
przekształtnikiem, co jest tematem dalszych rozdziałów.
5.1.1. Z
ABEZPIECZENIE PRZED SKUTKAMI ZWARĆ ZEWNĘTRZNYCH
(
W
PRZEWODACH ZASILAJĄCYCH
)[
XX
]
Zabezpieczenie zwarciowe jest wymagane w kaŜdym obwodzie, a więc równieŜ
w kaŜdym obwodzie silnikowym. Stanowi je urządzenie zabezpieczające nadprądowe
zainstalowane na początku obwodu oddzielnie lub jako część składowa rozrusznika:
•
albo bezpieczniki klasy gG lub aM, a w obwodach zasilających
przemienników bez wbudowanych bezpieczników mostka prostowniczego (co
występuje coraz powszechniej) –bezpieczniki klasy aR lub gR,
•
albo wyłącznik nadprądowy, który – poza nienastawialnym lub nastawialnym
wyzwalaczem albo przekaźnikiem zwarciowym – ma nastawialny wyzwalacz albo
przekaźnik przeciąŜeniowy.
Zabezpieczenie zwarciowe jest na ogół oddzielne dla kaŜdego silnika, ale wolno
wspólnie zabezpieczyć grupę silników powiązanych funkcjonalnie, jeŜeli w razie
zwarcia w przewodach dochodzących do jednego silnika mogą lub powinny być
wyłączone równieŜ pozostałe. Na przykład przekształtnik zasilający grupę silników
moŜe mieć jedno zabezpieczenie zwarciowe na początku swojego obwodu
zasilającego.
Urządzenia wykrywające przepływ prądu zwarciowego i przerywające obwód
powinny być umieszczone w kaŜdym nieuziemionym przewodzie obwodu.
Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć zdolność wyłączania odpowiadającą
największemu spodziewanemu prądowi zwarciowemu (zwarcia trójfazowego) na
początku obwodu, tzn. na zaciskach wejściowych tegoŜ zabezpieczenia.
Powinno teŜ wykazywać naleŜytą czułość, tzn. wykrywać i wyłączać w
wymaganym czasie najmniejsze spodziewane prądy zwarciowe (zwarć dwu- i
jednofazowych¹) na końcu obwodu, na zaciskach silnika. Jest to zawsze istotne ze
względu na ograniczenie cieplnych naraŜeń elementów instalacji przez prąd
zwarciowy. Jest to szczególnie waŜne, jeŜeli zabezpieczenia zwarciowe mają
dokonywać samoczynnego wyłączenia zasilania (przy zwarciach jednofazowych L-PE)
dla celów ochrony przeciwporaŜeniowej.
Zwarcia wewnętrzne (międzyzwojowe, międzyuzwojeniowe, międzyfazowe
oraz doziemne) zagraŜają uszkodzeniem, a nawet zniszczeniem silnika i mogą zagraŜać
poraŜeniem, ale nie wymaga się, aby je wykrywały i w porę wyłączały zabezpieczenia
-73-
zwarciowe wszelkich silników niskonapięciowych, bo to jest nieosiągalne. W
przypadku silników zasilanych z przekształtników większej mocy detekcja wielu
takich uszkodzeń jest moŜliwa i jest wykorzystywana, polega na detekcji prądu
róŜnicowego i/lub niesymetrii prądowej i/lub nadmiernej temperatury uzwojeń.
Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć prąd znamionowy I
n
(wkładka
bezpiecznikowa) bądź prąd nastawczy I
i
albo prąd zadziałania 1,2·I
i
(wyzwalacz
zwarciowy wyłącznika ²) jak najmniejszy, bo to zapewnia większa czułość. Zarazem
wspomniany prąd powinien być wystarczająco duŜy, aby wyeliminować zbędne
zadziałania zabezpieczenia zwarciowego w następstwie przepływu największych
prądów roboczych, które występują w stanach przejściowych polegających na
załączaniu i przełączaniu: przy rozruch i samorozruchu, przy impulsowaniu oraz przy
hamowaniu i nawrocie. Dla klasycznych układów rozruchu silników indukcyjnych
(rozrusznik:
bezpośredni,
autotransformatorowy,
gwiazda-trójkąt,
wirnikowy
rezystorowy) są dostępne w poradniach i w instrukcjach firmowych proste reguły
doboru i nastawiania zabezpieczeń. W dowolnej sytuacji obowiązują jednak te same
zasady ogólne, które moŜna zastosować, jeśli zna się przebieg prądu w najbardziej
niekorzystnym stanie nieustalonym. Przy zasilaniu poprzez przekształtnik moŜna
ograniczać wartość prądu we wszelkich stanach przejściowych (tzw. ramp prądowy)
do poziomu prądu znamionowego silnika albo niewielkiej jego krotności, co ułatwia
dobór zabezpieczeń zwarciowych, zwłaszcza wyłączników.
W przypadku wyłącznika wartość szczytowa prądu niezadziałania
wyzwalacza bądź przekaźnika zwarciowego
i
I
⋅
⋅
2
8
,
0
powinna być większa niŜ
największa
chwilowa
wartość
i
max
prądu
występującego
we
wszelkich
przewidywanych stanach przejściowych. Warunek ten powinien być spełniony z
pewnym zapasem, wyraŜony przez współczynnik bezpieczeństwa k
b
≥ 1,25:
i
I
⋅
⋅
2
8
,
0
≥
k
b
i
max
[ 5.1 ]
Zatem prąd nastawczy członu zabezpieczeniowego zwarciowego wyłącznika
powinien spełniać warunek:
max
max
1
,
1
2
8
,
0
25
,
1
i
i
I
i
⋅
≈
⋅
≥
[ 5.2 ]
W obwodzie o prądzie odkształconym, z krzywą prądu wypukłą (współczynnik
szczytu
2
>
s
k
), wymaga to zwiększenia (w stosunku
2
/
s
k
) prądu nastawczego
wyzwalacza zwarciowego ponad wartość wystarczającą w przypadku przebiegu
sinusoidalnego o tej samej wartości skutecznej, rys. 5.1. JeŜeli częstotliwość prądu
przekracza 250Hz, to nawet przy przebiegu sinusoidalnym o pomijalnym odkształceniu
nie moŜna pomijać wpływu zwiększonej częstotliwości na prąd niezadziałania i prąd
zadziałania wyzwalacza elektromagnesowego.
-74-
W razie znacznego odkształcenia prądu, ze względu na dodatkowe straty mocy,
korekty mogą wymagać równieŜ prąd nastawczy wyzwalaczy lub przekaźników
przeciąŜeniowych oraz prąd znamionowy ciągły wyłącznika.
¹ Wyłączanie zwarć jednofazowych przez zabezpieczenia zwarciowe nie jest
wymagane przy zasilaniu z układu IT
² Rzeczywisty prąd zadziałania członu zabezpieczeniowego zwarciowego
wyłącznika wynosi I
i
±20%, tzn. od 0.8· I
i
do 1,2· I
i
(PN-EN 60947-2:2001).
W przypadku bezpiecznika obowiązuje cieplne kryterium niezadziałania i
zadziałania: para wartości czas-prąd (t-I), a przy krótkich czasach (t<<0,1s) – po prostu
skutek cieplny prądu (I²t), nazwany teŜ całką Joule’a.
Rys.5.1. Okre
ś
lanie charakterystycznych parametrów przebiegu odkształconego dla doboru
zabezpiecze
ń
zwarciowych: szczytowa warto
ść
pr
ą
du i
max
oraz pr
ą
d zast
ę
pczy cieplny
I
th
w przedziale czasu
(0…
t
)
Wkładce bezpiecznikowej moŜna przypisać pewną obciąŜalność krótkotrwałą
wynikającą z charakterystyki przeciąŜeniowej leŜącej na lewo od charakterystyki
czasowo-prądowej t-I czasów przedłukowych rys. 5.2, w takim oddaleniu, by nie
dochodziło nie tylko do zadziałania wkładki, ale nawet do zmiany struktury materiału
topika pod wpływem powtarzających się krótkotrwałych obciąŜeń. Takie
„zapamiętywanie
przeciąŜeń:
przyśpieszałoby
starzenie
topika
i
sprzyjało
nieoczekiwanemu, zbędnemu zadziałaniu, bo charakterystyka czasowo-prądowa
wkładki stopniowo przesuwałaby się w lewo.
Wkładce moŜna przypisać róŜne charakterystyki przeciąŜeniowe, z tym
większym marginesem bezpieczeństwa w stosunku do charakterystyki t-I
przedłukowej, im większy jest prąd znamionowy wkładki, im większa jest częstość
występowania rozpatrywanych krótkotrwałych obciąŜeń i im większą ich liczbę n
wkładka powinna przetrzymać do chwili zbędnego zadziałania wskutek zmian
starzeniowych.
-75-
t
1
2
I
I
nf
I
n
Rys.5.2. Usytuowanie
liniowej
charakterystyki
przeci
ąŜ
eniowej
(krzywa2)
wzgl
ę
dem
charakterystyki czasowo pr
ą
dowej (pasmo1) wkładki bezpiecznikowej o pr
ą
dzie
znamionowym I
n
i pr
ą
dzie granicznym dolnym I
nf
.
t
I
1
2
t
mr
I
p
0,70
I p
0,50
I
p
Rys.5.3. Usytuowanie
liniowej
charakterystyki
przeci
ąŜ
eniowej
(krzywa2)
wzgl
ę
dem
charakterystyki czasowo pr
ą
dowej (pasmo1) wkładki bezpiecznikowej o pr
ą
dzie
znamionowym I
n
i pr
ą
dzie granicznym dolnym I
nf
.
Charakterystyka przeciąŜeniowa powstaje w ten sposób rys. 5.3, Ŝe danej
rzędnej t odpowiadającej czasowi trwania obciąŜenia krótkotrwałego t
mr
przypisuje się
odciętą I= K
•
I
p
, przy czym I
p
jest prądem przedłukowym, a wartość współczynnika
odporności na wielokrotne przeciąŜenia K dobiera się, rys. 5.4 zaleŜnie od liczby cykli
przeciąŜeniowych n, którą wkładka powinna przetrzymać; zwykle K
∈
(0,50 - 0,70).
-76-
K²
K
0,1
0,2
0,4
0,5
1,0
2
10
3
10
4
10
5
10
Rys.5.4. Rys.4 Współczynnik odporno
ś
ci na wielokrotne przeci
ąŜ
enia impulsowe K ( do
sporz
ą
dzenia charakterystyki przeci
ąŜ
eniowej t – I ) oraz warto
ś
ci K
2
( do
wyznaczenia wielokrotnie wytrzymywanej całki Joule
`
a) w zale
Ŝ
no
ś
ci od liczby
przetrzymywanych cykli przeci
ąŜ
eniowych n. Podane warto
ś
ci dotycz
ą
przeci
ąŜ
e
ń
impulsowych o czasie trwania poni
Ŝ
ej 1s (ang. impulse loads), a w przypadku dłu
Ŝ
ej
trwaj
ą
cych przeci
ąŜ
e
ń
odczytane z wykresu warto
ś
ci K mo
Ŝ
na zwi
ę
kszy
ć
o 15 - 20%.
JeŜeli w rozpatrywanym czasie t
mr
trwania krótkotrwałego stanu przejściowego
ze zwiększonym prądem roboczym bieŜąca wartość skuteczna tego prądu zmienia się,
to z dopuszczalną wartością K
•
I
p
naleŜy porównywać prąd zastępczy cieplny I
th
w
czasie 0...t
mr
. Umyślony prąd o niezmiennej w czasie wartości I
th
jest równowaŜny
prądowi rzeczywiście płynącemu o znanym przebiegu i(t). Oblicza się go następująco:
I
th
=
dt
t
i
t
t
)
(
1
0
2
∫
[ 5.1 ]
Dla przebiegu prądu odkształconego na rys.1 linią przerywaną wrysowano
zaleŜność prądu zastępczego cieplnego I
th
(t). KaŜdy punkt tego wykresu wyznacza
pary współrzędnych t-I
th
, które powinny być usytuowane na lewo od charakterystyki
przeciąŜeniowej dobranej wkładki bezpiecznikowej.
Przy rozwaŜaniu odporności wkładek bezpiecznikowych na krótkotrwałe (
t
mr
<<0,1 s, nawet t
mr
<0,01s) impulsy prądu załączeniowego samych przekształtników,
kierować się trzeba wartością całki Joule
`
a przedłukowej I
2
tp wkładek. Całka Joule
`
a
impulsu prądu załączeniowego nie powinna przekraczać wartości K
2
•
I
tp
Przy zasilaniu z przekształtników prądy rozruchowe silników są nieduŜe, ale
czas ich przepływu wydłuŜa się na tyle w porównaniu z rozruchem bezpośrednim DOL
(ang. direct on line), Ŝe skutek prądu rozruchowego I
2
t jest na ogół znacznie (nawet 10
- 20% krotnie) większy, co nie jest bez znaczenia przy doborze prądu znamionowego
bezpieczników.
JeŜeli prąd roboczy jest silnie odkształcony, to w wieloczłonowych topikach
wkładek o duŜym prądzie znamionowym rozpływ prądu między równolegle
-77-
połączonymi członami staje się nierównomierny ze względu na róŜne indukcyjności
dróg równoległych. Ponadto, nawet w pojedynczych cienkich topikach taśmowych
występuje nierównomierna gęstość prądu i to (przy f<5kHz) wzdłuŜ szerokości taśmy,
a nie wzdłuŜ jej grubości. W rezultacie zachodzą dodatkowe straty mocy [4,14,15],
zwiększa się zastępcza rezystancja topika i wkładce trzeba przypisać zmniejszony prąd
znamionowy ciągły. Takie efekty występują, jeŜeli wartość ok. 250 Hz przekracza
bądz harmoniczna podstawowa prądu roboczego silnika, bądź harmoniczne o
znaczącym udziale w widmie prądu roboczego.
5.1.2. Z
ABEZPIECZENIE PRZED PRZECIĄśENIEM
PrzeciąŜenie silnika objawia się przepływem w określonym czasie prądu
większego niŜ prąd największy dopuszczalny w danych warunkach uŜytkowania.
Istotna jest zatem para wartości: prąd pobierany I oraz czas jego przepływu t. Pamiętać
trzeba, Ŝe jeŜeli warunki środowiskowe, obniŜona prędkość obrotowa bądź inne
okoliczności pogarszają warunki chłodzenia silnika, to podstawą rozwaŜań powinien
być zredukowany (ang.derated) prąd znamionowy silnika, jaki moŜna wtedy dopuścić
przy pracy ciągłej.
M
M
M
M
Rys.5.5. Przykład instalacji zasilanej z przekształtnika ze wspólnym zabezpieczeniem
zwarciowym oraz indywidualnymi zabezpieczeniami przeci
ąŜ
eniowymi nadpr
ą
dowymi
silników.
W zasadzie silnik elektryczny o mocy większej niŜ 0,5 kW powinien mieć
zabezpieczenia przeciąŜeniowe i powinno to być zabezpieczenie oddzielne dla kaŜdego
silnika, rys. 5.5. Od zasady tej wolno odstąpić w następujących przypadkach:
-78-
•
silniki o prądzie znamionowym mniejszym niŜ 4 A, jeŜeli brak zabezpieczenia
nie zagraŜa uszkodzeniu mechanizmu napędzanego lub innymi powaŜnymi
konsekwencjami,
•
silniki do pracy ciągłej o mocy znamionowej nie przekraczającej 10 kW, jeŜeli
przeciąŜenie silnika jest mało prawdopodobne (np. napęd odśrodkowych pomp
lub wentylatorów),
•
silniki, których nie moŜna przeciąŜyć (np. silniki momentowe, zespoły
napędowe
chronione
mechanicznymi
urządzeniami
przeciw
przeciąŜeniowymi),
•
silniki do pracy przerywanej, jeŜeli ich zabezpieczenie nadprądowe byłoby
nieskuteczne, a zastosowanie czujników temperatury nie jest ekonomicznie
uzasadnione.
Silniki stanowiące zespół z indywidualnym zasilaczem (transformatorem,
przekształtnikiem
energoelektronicznym),
wyposaŜonym
w
zabezpieczenie
przeciąŜeniowe obwodu wyjściowego, nie wymagają osobnego zabezpieczenia
przeciąŜeniowego.
Wypada tu podkreślić, Ŝe są obwody elektryczne, równieŜ obwody silników
elektrycznych, w których zabezpieczeń przeciąŜeniowych działających na wyłączenie,
stosować nie wolno. Chodzi o napędy waŜne dla bezpieczeństwa ludzi i mienia, które
w krytycznej sytuacji powinny działać mimo przeciąŜenia i mimo ryzyka ich
uszkodzenia, a nawet ryzyka zniszczenia, np. pompa poŜarnicza, maszyna sterowa
statku, ster strumieniowy. W takich przypadkach przeciąŜenie powinno być tylko
sygnalizowane operatorowi.
Wielkością kryterialną, kontrolowaną przez zabezpieczenie przeciąŜeniowe, jest
zwykle bo to najłatwiej wykonać - prąd pobierany z sieci (prąd stojana) i/lub
temperatura uzwojeń stojana. Ściśle biorąc tak działające zabezpieczenie jest skuteczne
tylko w odniesieniu do silników o krytycznym stojanie, tzn. silników, w których z
powodu przeciąŜenia uzwojenie stojana szybciej niŜ uzwojenie wirnika (izolowane lub
klatkowe) osiąga i przekracza dopuszczalną temperaturę; tak się zachowuje niemal
wszystkie niskonapięciowe silniki indukcyjne o mocy do ok. 150 kW. Skuteczne
zabezpieczenie przeciąŜeniowe silników o krytycznym wirniku wymaga bardziej
złoŜonych rozwiązań zabezpieczeń.
-79-
Tab.5.3. Wymagania co do przebiegu charakterystyki t-I nap
ę
dowych przeka
ź
ników
przeci
ąŜ
eniowych
Czas wyzwalania T
p
przy krotności prądu nastawczego
Klasa
wyzwalania
1,05
1,2
1,5
7,2
5
T
p
≤
2
min*)
1 < T
p
≤
5 s *)
10A
T
p
≤
2
min
2 < T
p
≤
10 s
10
T
p
≤
4
min
4 < T
p
≤
10 s
15
T
p
≤
6
min *)
5
<
T
p
≤
15 s *)
20
T
p
≤
8
min
6 < T
p
≤
20 s
25
T
p
≤
10
min *)
7,5
<
T
p
≤
25 s *)
30
T
p
≤
12
min
9 < T
p
≤
30 s
35
T
p
≤
14
min *)
11
<
T
p
≤
35 s *)
40
T
p
≥
2 h
T
p
< 2 h
T
p
≤
16
min *)
13
<
T
p
≤
40 s *)
Temperatura otoczenia + 40ºC, przekaźnik obciąŜony we wszystkich
biegunach, wstępnie nienagrzany w próbach prądem o krotności 1,05 i 7,2, a wstępnie
nagrzany w próbach prądem 1,2 i 1,5.
*) Wartości dotychczas nie znormalizowane, stosowane przez producentów
przekaźników.
PrzeciąŜeniowe przekaźniki i wyzwalacze nadprądowe kontrolujące wartość
prądu pobieranego przez silnik i czas jego przepływu mają tę wadę, Ŝe nie reagują w
razie nadmiernego nagrzewania silnika z powodu podwyŜszonej temperatury otoczenia
lub utrudnienia wentylacji. Nie nadają się do silników o przewietrzaniu własnym
pracujących przy obniŜonej prędkości obrotowej, które mogą wymagać wtedy
obniŜenia mocy i pobieranego prądu ze względu na mniejszą wydajność wentylatora.
Stosuje się przekaźniki o róŜnej zasadzie działania: termobimetalowe, hydrauliczno-
magnetyczne i elektroniczne (mikroprocesorowe), ale identyczne są wymagania co do
przebiegu ich charakterystyki czasowo-prądowej (tabl. 5.1, rys. 5.6).
Od przekaźnika przeciąŜeniowego w obwodzie silnika indukcyjnego wymaga
się, aby bez zbędnego wyzwalania przetrzymywał rozruchy bezpośrednie (DOL).
Warunek ten jest spełniony, jeŜeli klasa wyzwalania przekaźnika (ang. tripping class,
TC) jest odpowiednio większa niŜ wyraŜony w sekundach czas rozruchu
-80-
bezpośredniego (przy krotności prądu rozruchowego 7,2), co ilustrują tabl. 1 oraz rys.
6. Na przykład, jeŜeli czas rozruchu bezpośredniego wynosi 3 s, to potrzebny jest
przekaźnik o klasie wyzwalania co najmniej 10, który prąd rozruchowy o wspomnianej
krotności przetrzymuje co najmniej 4 s. Tylko przekaźniki mikroprocesorowe
obejmują pełną gamę dostępnych klas wyzwalania (TC 5÷40).
Z przebiegu charakterystyki t-I wynika, Ŝe przekaźnik powinien być nastawiony
na największy prąd dopuszczalny przy pracy ciągłej silnika FLC (ang. full load
current): I
nast
= FLC, bo wtedy zabezpieczenie będzie najbardziej skuteczne. W razie
konieczności, dla uniknięcia zbędnych zadziałań przy rozruchach bezpośrednich
silnika lub w innych stanach przejściowych, wolno przekaźnik nastawić na prąd
większy, ale nieprzekraczający wartości I
nast
= 1,1·FCL. Z katalogu naleŜy zatem
wybierać przekaźnik, którego zakres nastawczy (I
nast min
÷I
nast max
) obejmuje prądy
(1,0÷1,1)·FCL. Z powyŜszego wynika równieŜ, Ŝe do zabezpieczania silników nadają
się tylko przekaźniki bądź wyzwalacze przeciąŜeniowe nastawialne, tzn.
umoŜliwiające nastawianie na prąd właściwy dla zabezpieczanego silnika, np.
wyłączniki silnikowe. Nie nadają się natomiast wyłączniki nadprądowe instalacyjne o
nienastawialnych wyzwalaczach przeciąŜeniowych.
Krotno
ść
pr
ą
du znamionowego
S
e
k
u
n
d
y
M
in
u
ty
C
z
a
s
w
y
z
w
a
la
n
ia
Rys.5.6. Charakterystyki
czasowo-pr
ą
dowe
przeka
ź
ników
przeci
ąŜ
eniowych
o
klasie
wyzwalania od 5 do 40 (obci
ąŜ
enie we wszystkich biegunach, ze stanu
nienagrzanego).
Wbudowane w silniku czujniki temperatury śledzące temperaturę
najgorętszych miejsc chronią silnik przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury
niezaleŜnie od powodu przeciąŜenia, równieŜ w sytuacjach, na które nie reagują
przekaźniki nadprądowe. W roli czujników stosuje się miniaturowe pozystory, czyli
-81-
półprzewodnikowe termistory PTC (ang. positive temperature coefficient) o dodatnim
temperaturowym współczynniku rezystancji. Wykazują one skokową zmianę
rezystancji w temperaturze zbliŜonej do znamionowej temperatury zadziałania TNF
(rys. 5.7), co odpowiada efektowi przekaźnikowemu (otwarciu zestyku). Odpowiednie
domieszkowanie podstawowego składnika, którym jest zwykle tytanian baru BaTiO
3
,
pozwala uzyskać pozystor o określonej znamionowej temperaturze zadziałania
odpowiadającej klasie ciepłoodporności izolacji silnika.
Rys.5.7. Zale
Ŝ
no
ść
rezystancji R
3
trzech szeregowo poł
ą
czonych pozystorów od temperatury
τ
.
Znaczniki przedstawiaj
ą
wymagania normy mi
ę
dzynarodowej IEC 60034-11.
W silniku trójfazowym umieszcza się co najmniej trzy pozystory (rys. 5.8), po
jednym przy kaŜdym z uzwojeń fazowych. Dzięki temu działają one skutecznie
równieŜ przy pracy niepełnofazowej silnika. Czujników jest co najmniej sześć, jeŜeli
mają działać dwustopniowo – na sygnał i na wyłączenie. Przekaźnik pośredniczący
przyjmujący sygnały z czujników musi mieć wtedy odpowiednią liczbę wejść.
-82-
Typ MINIKA K
Typ MINIKA KD
5
0
0
Α
1
0
180
Α
10
180
Α
10
F1
0,14
2
Rys.5.8. Przykładowe wymiary czujników pozystorowych firmy ZIEHL: u góry – pojedynczy
czujnik, u dołu – zespół trzech czujników.
Jest to zabezpieczenie na prąd ciągły, samotestujący się; przerwanie obwodu
czujników nie pozostaje niezauwaŜone, objawia się sygnałem i/lub wyłączeniem,
podobnie jak przeciąŜenie silnika. Niektóre przekaźniki odróŜniają te zdarzenie i
sygnalizują przerwanie obwodu, jeŜeli wzrost rezystancji nastąpił z duŜą pochodną
dR/dt. Nowsze wykonania mają teŜ układ detekcji zwarcia w obwodzie pomiarowym,
w następstwie którego zostaje wyłączony z obwodu co najmniej jeden z czujników.
Ś
wiadczy o tym obniŜenie rezystancji obwodu czujników, zwłaszcza zimnych
czujników, poniŜej określonej wartości (np. 20 Ω na jeden czujnik). W zwykłej
temperaturze otoczenia rezystancji pojedynczego pozystora powinna być mniejsza niŜ
250 Ω (zwykle wynosi 100÷200 Ω, ale moŜe być mniejsza niŜ 100 Ω). Te dodatkowe
zabezpieczenia na wypadek zawodności czujników są potrzebne przy napędach, od
których wymaga się najwyŜszej dyspozycyjności. Stosowanym obecnie półśrodkiem,
zapobiegającym zbędnym wyłączeniom silnika, jest osobne wyprowadzenie
przewodów od kaŜdego czujnika i takie programowanie układu, aby wyłączenie
następowało w razie przekroczenia określonej wartości rezystancji co najmniej dwóch
obwodów czujników.
-83-
40 mm
Rys.5.9. Sposób umieszczania czujnika w poł
ą
czeniu czołowym uzwojenia: a)rozchylenie
przewodów; b) wprowadzenie czujnika z odcinkiem przewodów przył
ą
czeniowych; c)
banda
Ŝ
owanie zezwoju.
Wplata się odcinek ok. 40mm przewodów zakończonych czujnikiem (rys. 5.9)
w części uzwojenia najsilniej nagrzewającej się (ang. hot-spot, hottest-spot) i w sposób
gwarantujący jak najmniejszą rezystancję cieplną między czujnikiem a uzwojeniem
(jak najmniejszy skok temperatury między nimi). Miejsce to znajduje się w
połączeniach czołowych po stronie bez wentylatora (w silnikach budowy zamkniętej
chłodzonych poprzez powierzchnię obudowy, tzn. IC 411, IC 416, jak na rys. 5.10a)
albo pośrodku części Ŝłobkowej zezwojów (w silnikach budowy otwartej o wnętrzu
przewietrzanym swobodnym obiegiem powietrza, tzn. IC 01, IC 06, jak na rys. 5.10b).
Decyduje o tym wytwórnia, która na Ŝądanie dostarcza silniki z pozystorami
wmontowanymi w sposób zapewniający jak najmniejszy błąd pomiaru temperatury
uzwojenia i nie naraŜający ani ich przewodów na napręŜenia mechaniczne.
Rys.5.10. Pogl
ą
dowe przedstawianie kierunku przepływu ciepła strat (W) i powietrza
chłodz
ą
cego (K) oraz poło
Ŝ
enie najgor
ę
tszego miejsca uzwojenia (H) w silniku: a)
budowy zamkni
ę
tej; b) budowy otwartej.
Jednym parametrem decydującym o doborze czujników jest klasa
ciepłoodporności izolacji silnika. Do temperatury granicznej dopuszczalnej
długotrwale dla izolacji dobiera się znamionową temperaturę zadziałania TNF
czujników, którą rozpoznaje się po barwie izolacji dwóch przewodów
przyłączeniowych kaŜdego czujnika.
Sprawą dyskusyjną jest relacja między temperaturą graniczną dopuszczalną
długotrwale dla izolacji τ
dd
a znamionową temperaturą zadziałania TNF czujników. Na
pozór obie wartości powinny być jednakowe i tak byłoby, gdyby nie to, Ŝe:
•
czujniki rzadko daje się umieścić naprawdę w najgorętszym miejscu silnika, w
najlepszym razie są one w miejscu, które w stanie cieplnym ustalonym ma
temperaturę o 10÷15 K niŜszą niŜ hottest-spot,
-84-
•
występuje dynamiczny błąd pomiaru temperatury uzwojenia (róŜnica między
temperaturą uzwojenia a temperaturą czujnika) tym większa, im większy jest
prąd przeciąŜeniowy.
Temperaturę zadziałania czujników dobiera się raczej niŜszą niŜ temperatura
dopuszczalna długotrwale dla izolacji zwłaszcza, jeśli chodzi o pierwszy stopień
zabezpieczeń dwustopniowych, tylko sygnalizujący przeciąŜenie. Wartości przeciętne
przestrzegane przez wytwórców silników, w zaleŜności od klasy izolacji i sposobu
chłodzenia silnika, są przedstawione w tabl. 5.2.
Tab.5.3. Dobór znamionowej temperatury zadziałania TNF czujników pozystorowych
w zale
Ŝ
no
ś
ci od sposobu chłodzenia silnika i klasy izolacji
TNF [°C] dla silników o
klasie izolacji
Sposób chłodzenia silmika
B
τ
dd
= 130°C
F
τ
dd
= 130 °C
H
τ
dd
= 130°C
Sygnalizacja
120
140
160
IC 4X
poprzez
powierzchnię obudowy
Wyłączanie
140
160
180
Sygnalizacja
110
130
150
IC 0X
przez
przewietrzanie swobodne
Wyłączanie
130
150
170
Największą wadą czujników jest niebezpiecznie duŜy dynamiczny błąd pomiaru
temperatury w razie próby rozruchu bezpośredniego DOL silnika o unieruchomionym
wirniku. W przypadku rozruchu sterowanego przez przekształtnik taki stan pracy nie
moŜe wystąpić.
Przekaźniki nadprądowe mikroprocesorowe do zabezpieczania
silników występują jako osobne aparaty bądź jako wbudowane wyposaŜenie
przekształtników przeznaczonych do współpracy z pojedynczym silnikiem. Sygnałami
wejściowymi są prądy w trzech fazach i Ew. trzy napięcia międzyfazowe. Sygnały
prądowe, pochodzące z konwencjonalnych przekładników prądowych lub – dzięki
małej mocy pobieranej – z cewek Rogowskiego, są przetwarzane na proporcjonalne
sygnały napięciowe. Napięcia te są prostowane, przetwarzane na sygnały cyfrowe i
wprowadzane do mikroprocesora. Mikroprocesor przetwarza w czasie rzeczywistym
informacje wejściowe o wartościach wszelkich wielkości kryterialnych i sprawdza czy
nie
są
przekroczone
warunki
progowe
uzasadniające
sygnalizację
stanu
zakłóceniowego zakłóceniowego/lub wyłączenie silnika. Te warunki progowe
uŜytkownik moŜe zaprogramować z duŜą swobodą.
UŜytkownik moŜe przede wszystkim wybrać i nastawić dowolną klasę
wyzwalania TC (co % s, a nawet co 2 s), czyli dopasować przebieg charakterystyki t-I
przekaźnika (rys. 5.6) do warunków rozruchu silnika. Zarazem przekaźnik moŜe mieć
człon
przeciąŜeniowy,
kontrolujący
skutek
cieplny
prądu
rozruchowego,
zabezpieczający przed przegrzaniem silnika w razie nadmiernie przedłuŜającego się
-85-
rozruchu (ponad dopuszczalny czas rozruchu t
E
). Człon przeciąŜeniowy
zabezpieczający przed przeciąŜeniem podczas pracy silnika moŜe zawierać w róŜnej
postaci pamięć cieplną skracającą czas wyzwalania, jeśli przed wystąpieniem
aktualnego przeciąŜenia silnik był dłuŜszy czas w pełni obciąŜony albo, jeśli nie zdąŜył
wystarczająco ostygnąć po poprzednim przeciąŜeniu. Na przykład włączenie pamięci
cieplnej, skracającej czas wyzwalania, następuje, kiedy prąd w obwodzie przekracza
wartość 0,95 I
nast
, a jej samoczynne skasowanie następuje, jeŜeli płynący prąd będzie
miał wartość mniejszą niŜ 0,85 I
nast
przez czas co najmniej 216 t
e.
Przekaźnik mikroprocesorowy moŜe obejmować człon temperaturowy
pobierający sygnał z wbudowanych w silniku czujników temperatury. Staje się wtedy
zespolonym przekaźnikiem nadprądowo-temperaturowym, który łączy zalety obu
rozwiązań i kompensuje ich wady stanowiąc najdoskonalsze zabezpieczenie
przeciąŜeniowe silnika.
Obróbka sygnałów prądowych z trzech faz obwodu głównego pozwala
wykrywać nie tylko przeciąŜenia i zwarcia międzyfazowe. Człon niesymetrii
prądowej wykrywa znaczne róŜnice wartości prądu w trzech fazach, świadczące o
uszkodzeniu silnika. Człon kontroli pracy niepełnofazowej wykrywa bezzwłocznie
zanik prądu w jednej z faz. Człon niedomiarowo-prądowy interweniuje przy zbyt
małym prądzie obciąŜenia silnika, co bywa potrzebne ze względu na bezpieczeństwo
procesu technologicznego lub jałowo pracującej maszyny napędzanej. Człon
róŜnicowoprądowy wykrywa zwarcia doziemne w obwodzie silnika sumując trzy
prądy fazowe albo pobierając sygnał z osobnego przekładnika Ferrantiego.
Przekaźnik mikroprocesorowy pobierający sygnały napięciowe z trzech faz
pozwala wprowadzić kolejne człony zabezpieczające: człon podnapięciowy (np. U <
0.8·U
n
) człon zanikowy (U < 0.2·U
n
w czasie przekraczającym 0,2 s), człon kontroli
niewłaściwej kolejności faz, człon niesymetrii napięciowej.
MoŜliwe
funkcje
zabezpieczeniowe,
jakie
oferują
przekaźniki
mikroprocesorowe SA nieporównywalnie szersze niŜ moŜliwości tradycyjnych
przekaźników cieplnych bądź elektromagnetycznych. Te funkcje uŜytkownik moŜe
łatwo programować, dobierać właściwe charakterystyki, a w razie potrzeby zmieniać
je. Nastawy są jednoznaczne, łatwe do kontrolowania, i nie podlegają procesom
starzeniowym. Systemy autotestu w sposób ciągły sprawdzają stan poszczególnych
członów zabezpieczeniowych sygnalizują ewentualne usterki, co znakomicie zwiększa
niezawodność zabezpieczenia. Charakterystyki przekaźników są niewraŜliwe na
zmiany temperatury otoczenia w zakresie co najmniej od -20°C do +45°C.
Na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym moŜna odczytać bieŜącą wartość
pobieranego prądu i aktualny stan cieplny silnika. MoŜna teŜ sprawdzać zapisy
rejestratora zdarzeń Nowsze przekaźniki są wyposaŜone w łącze komunikacyjne RS-
232 lub RS-485 wiąŜące je ze sterownikami przemysłowymi.
-86-
5.1.3. Z
ABEZPIECZENIE
PODNAPIĘCIOWE
(
ZABEZPIECZENIE
PRZED
GŁĘBOKIM ZAPADEM NAPIĘCIA LUB ZANIKIEM NAPIĘCIA I JEGO
POWROTEM
)
Gdyby obwody silnikowe nie miały zabezpieczeń podnapięciowych, to po
zaniku napięcia pozostawałby nadal przyłączone do instalacji, do czasu zamierzonego
wyłączenia ich przez obsługę. Powrót napięcia po krótszym czasie niŜ czas wybiegu
silników powodowałby ich samorozruch, na ogół poŜądany, ale związany z poborem
zwiększonego prądu, co moŜe być niedopuszczalne, gdyby miało dotyczyć większej
liczby silników duŜej mocy. Powrót napięcia po czasie dłuŜszym niŜ czas wybiegu
silników, powodowałby ich samoczynny ponowny rozruch. Po bliŜej nieokreślonym
czasie, od chwili zaniku napięcia, następowałoby samoczynne uruchomienie
nieczynnych silników, co na ogół jest niedopuszczalne ze względu na bezpieczeństwo
ludzi, wielu napędów i procesów technologicznych. Zabezpieczają temu
zabezpieczenia podnapięciowe.
Rys.5.11. U
ś
redniona charakterystyka odporno
ś
ci napi
ę
ciowej (dolna granica) układów
nap
ę
dowych o regulowanej pr
ę
dko
ś
ci obrotowej [5]
Są układy napędowe, których utrzymanie w ruchu ma pierwszorzędne
znaczenie i które powinny odbywać samorozruch bądź samoczynny ponowny rozruch,
jeŜeli czas przerwy w zasilaniu bądź czas trwania zapadu napięcia [5, 7] nie przekracza
określonej wartości (rys. 5.11). W klasycznych układach zasilania silników
umoŜliwiają to styczniki o zwłocznym odpadaniu albo podobnie działające
wyzwalacze podnapięciowe wyłączników, a w przypadku silników zasilanych z
przekształtników – odpowiednie oprogramowanie z wykorzystaniem funkcji
nazywanej Ŝargonowo czasem restartu. JeŜeli zdarzy się krótka przerwa w zasilaniu, to
po powrocie napięcia, bez udziału obsługi, nastąpi samorozruch bądź samoczynny
ponowny rozruch silnika.
-87-
5.1.4. Z
ABEZPIECZENIE PRZED NIESYMETRIĄ NAPIĘCIOWĄ I PRĄDOWA
Niesymetria napięcia układu wielofazowego jest stanem, w którym nie
są jednakowe wartości skuteczne poszczególnych napiec fazowych i/lub ich
przesunięcia fazowe. JeŜeli taki stan pracy analizuje się przy uŜyciu metody
składowych symetrycznych, objawia się on wystąpieniem składowej przeciwnej
napięcia i prądu. Impedancja wirującego trójfazowego silnika indukcyjnego dla
składowej przeciwnej jest kilka do kilkunastu razy mniejsza niŜ dla składowej zgodnej,
wobec czego juŜ niewielka zawartość składowej przeciwnej w napięciu wywołuje
znaczną składową przeciwną w prądzie stojana, która w dodatku indukuje w wirniku
znaczne prądy o częstotliwości w przybliŜeniu podwójnej. W rezultacie niesymetria
prądu pobieranego przez silnik jest większa niŜ niesymetria napięcia zasilającego i
objawia się wzmoŜonym nagrzewaniem.
Człon zabezpieczeniowy o charakterystyce zaleŜnej kontroluje składową
przeciwna prądu pobieranego przez silnik. Prąd rozruchowy takiego zabezpieczenia
powinien być jak najmniejszy., (0,15÷0,30)·I
nM
, ale wystarczająco duŜy, aby zapobiec
zbędnym zadziałaniom z powodu konstrukcyjnej niesymetrii elektromagnetycznej
silnika, powodującej niesymetrię prądową nawet (0.05÷0.15)·I
nM
w przypadku
silników o rozruchu bezpośrednim trzeba odstroić się ponadto niesymetrii prądowej
podczas rozruchu wskutek występowania zanikającej składowej nieokresowej prądu, o
róŜnej wartości w poszczególnych fazach.
Skrajnym przypadkiem niesymetrii jest przerwanie jednego z torów
prądowych i niepełnofazowa praca silników. Zabezpieczenia regulujące na niesymetrię
prądów są w takiej sytuacji bardziej skuteczne niŜ zabezpieczenia przeciąŜeniowe.
5.1.5. Z
ABEZPIECZENIE PRZED NIEWŁAŚCIWĄ KOLEJNOŚCIĄ FAZ
Zabezpieczenie zapobiega uruchomieniu silnika trójfazowego przy
przeciwnym do zamierzonego kierunkiem obrotów, jeśli moŜe to spowodować
sytuację zagroŜenia lub uszkodzenie napędzanej maszyny. Zabezpieczenie jest
potrzebne zwłaszcza przy urządzeniach ruchomych zasilanych za pośrednictwem
przewodów ruchomych i łączników wtyczkowych. Jest teŜ wskazane przy silnikach
zainstalowanych na stałe, jeśli zachodzi moŜliwość przełączania źródła zasilania.
Przekształtniki mają z reguły wbudowana tę funkcję zabezpieczeniową.
5.1.6. Z
ABEZPIECZENIE NADPRĄDOWE NIEDOMIAROWE
Zabezpieczenie ( o charakterystyce niezaleŜnej zaleŜnej od czasu) jest
pobudzane, jeśli prąd obciąŜenia silnika zmniejszy się poniŜej nastawionej wartości, co
nie zagraŜa silnikowi, lecz moŜe świadczyć o uszkodzeniu napędu (zerwanie sprzęgła
lub przekładni) albo groźnym zakłóceniu procesu technologicznego. Przekształtniki
mają z reguły wbudowana tę funkcję zabezpieczeniową.
-88-
5.1.7. I
NNE ZABEZPIECZENIA
Przy pośrednim zasilaniu silników z sieci inne zabezpieczenia stosuje się
tylko w razie szczególnej potrzeby, bo wymagają instalowania dodatkowych aparatów.
Przy zasilaniu z przekształtnika, którego układ sterowania otrzymuje sygnały
analogowe o wszelkich wartościach elektrycznych (prąd w kaŜdej fazie, wszystkie
napięcia międzyprzewodowe) i nieelektrycznych (temperatura uzwojeń silnika,
prędkość kątowa bądź obrotowa i ew. moment obrotowy), przetworzone następnie na
sygnały cyfrowe, które mogą być dowolnie przetwarzane, wchodzi w rachubę
programowanie
róŜnych
dodatkowych
funkcji
zabezpieczeniowych,
o
charakterystykach dość swobodnie kształtowanych.
5.2. WARUNKI
PRACY
SILNIKÓW
ZASILANYCH
Z POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI.
Niskonapięciowe pośrednie przemienniki częstotliwości naleŜą obecnie
do najbardziej rozpowszechnionych przekształtników do zastosowań nie tylko
przemysłowych. SłuŜą do zasilania odbiorników napięciem przemiennym o
regulowanej amplitudzie i częstotliwości, z dokładnością (ang. frequency resolution)
ok. 0,01 Hz, zwłaszcza do regulacji prędkości obrotowej silników. Jeśli regulacja
odbywa się tylko w dół, z obniŜaniem częstotliwości poniŜej częstotliwości sieci, to
mogą być uŜywane, zwłaszcza przy mniejszych mocach układów napędowych, silniki
standardowe ze stosowną korektą danych znamionowych (tabl. 5.3).
Tab.5.3. Porównanie danych znamionowych tego samego silnika (SCHORCH KDI
315M-BA41N-Z) przy zasilaniu sieciowym i zasilaniu z przemiennika
cz
ę
stotliwo
ś
ci
Mains-
operated
Converter-
operated
Napięcie zasilające
400 V
40÷400 V
Częstotliwość napięcia zasilającego
silnik
50 Hz
5÷50 Hz
Moc silnika osiągalna
132 kW
10÷110 kW
Prąd dop. Długotrwale (ang. full
load current)
240 A
205 A
Prędkość obrotowa
1485 min
-1
150÷1500
min
-1
Moment napędowy osiągalny
850 Nm
635÷700 Nm
Poprawne dobranie i skoordynowanie wszelkich środków ochronnych
(od poraŜeń, od przepięć. Od zakłóceń elektromagnetycznych) i zabezpieczających
(przed przeciąŜeniami, skutkami zwarć itd.) przekształtnika oraz silnika to wiedza
podobna do biegłości kulinarnej: znane są receptury, przepisy i zasady, ale tak
naprawdę rezultat zaleŜy od wprawy projektanta i instalatora, od wyczucia w
dozowaniu składników i przypraw.
-89-
Producent odpowiada za poprawność ochron i zabezpieczeń
wewnętrznych, wbudowanych w przekształtniku [10, 12, 16], oraz za wszelkie
wytyczne instalowania i eksploatacji, równieŜ za podawane wskazówki doboru ochron
i zabezpieczeń zewnętrznych. Przekształtnik na ogół ma wbudowane zabezpieczenia
obwodu wyjściowego przynajmniej przed skutkami zwarć międzyfazowych i
doziemnych, ale nie wszyscy wytwórcy podają w DTR szczegóły dotyczące ich
wykonania, nastawiania i sprawdzania, ograniczając się do niewiele mówiącego
wykazu stosowanych zabezpieczeń. Co gorsza, nawet od działających na polskim
rynku firm oświatowej renomie, uŜytkownik nieraz otrzymuje bełkotliwe tłumaczenie
dokumentacji, urągające elementarnym regułom polszczyzny i zasadom polskiej
terminologii technicznej.
Są dostępne niskonapięciowe (U
n
≤ 1000 V) przemienniki częstotliwości
o mocy 0,25÷800 kW, przy czym wymagania bezpieczeństwa są ostrzejsze w
odniesieniu do przekształtników małej mocy (umownie P
n
≤ 4 kW i/lub I
n
≤ 16 A), bo
mogą one trafić w ręce osób niewykwalifikowanych. Poza innymi postanowieniami
(co do wartości prądów upływowych, prądów załączeniowych) wymaga się, aby te
ostatnie były przystosowane do zasilania przez wyłącznik róŜnicowoprądowy (o
wyzwalaniu typu B).
Przekształtniki większej mocy są uŜytkowane przez personel
wykwalifikowany i osoby dozoru odpowiadają za wdroŜenie zasad bezpiecznej
eksploatacji dostosowanych do konkretnych warunków uŜytkowania.
Przy doborze rozwiązań ochron i zabezpieczeń trzeba od początku mieć
na względzie, czy chodzi o przemiennik częstotliwości indywidualny, zasilający
pojedynczy silnik, czy grupowy – zasilający grupę silników.
Podstawowe
bloki
funkcjonalne
nowoczesnego
pośredniego
przemiennika częstotliwości to diodowy (rzadziej tyrystorowy) mostek prostowniczy,
obwód pośredniczący prądu stałego oraz falownik napięcia o zaworach w pełni
sterowalnych, umoŜliwiających regulację zarówno wartości, jak i częstotliwości
napięcia wyjściowego. Nadają się do tego celu tyrystory GTO (ang. gate turn-off
thyristor) oraz – od wielu lat coraz powszechniej stosowane – bipolarne tranzystory
mocy IGBT o izolowanej bramce (ang. insulated gate bipolar transistor).
Napięcie wyjściowe falownika jest kształtowane z napięcia stałego w
obwodzie pośredniczącym poprzez modulację szerokości impulsów MSI (ang. pulse
width modulation, PWM) z częstotliwością przetwarzania z zakresu 0,5÷16 kHz,
dobierania w zaleŜności od zastosowania. W pierwszym przybliŜeniu przyjmuje się, Ŝe
bieŜąca wartość średnia prądu wyjściowego ma przebieg zbliŜony do sinusoidalnego
(rys. 5.12), dzięki duŜej indukcyjności obwodu silnikowego, ale w rzeczywistości
przebieg prądu jest odkształcony i to – bez filtru wyjściowego – w stopniu większym
niŜ sugeruje rys. 5.13.
-90-
Rys.5.12. Przebieg przeł
ą
czanego napi
ę
cia (u) oraz wyidealizowany przebieg pr
ą
du fazowego (i)
na wyj
ś
ciu falownika przy modulacji szeroko
ś
ci impulsów
Oba przedstawione przebiegi, napięcia i prądu, wskazują, Ŝe naleŜy się
liczyć z kłopotliwymi problemami w obwodzie wyjściowym przemiennika, zwłaszcza
w odniesieniu do samego silnika. W porównaniu z zasilaniem bezpośrednio z sieci,
podlega on dodatkowym naraŜeniom, które komplikują naleŜyte rozwiązanie jego
układu zabezpieczeń.
Rys.5.13. Zbli
Ŝ
ony do rzeczywistego przebieg pr
ą
du fazowego (i) na wyj
ś
ciu falownika przy
modulacji szeroko
ś
ci impulsów (pomini
ę
te harmoniczne wy
Ŝ
szych rz
ę
dów
Z powodu odkształcenia prądu występują w silniku straty dodatkowe
(mocy czynnej)w uzwojeniach stojana i wirnika, a takŜe straty dodatkowe w
niektórych częściach magnetowodu (w zębach i przyległych częściach) wywołane
wyŜszymi harmonicznymi strumieni rozproszenia [1, 8, 17]. Są one większe w
silnikach głębokoŜłobkowych i dwuklatkowych, w których juŜ przy 50 Hz występuje
wyraźne wypieranie prądu w uzwojeniu wirnika. Z drugiej strony zwiększona
reaktancja rozproszenia, związana z geometrią Ŝłobków, oddziałuje łagodząco,
ogranicza harmoniczne prądów, które są źródłem strat dodatkowych.
Trudniejsze jest rozpoznanie naraŜeń wynikających z impulsowego
przebiegu napięcia. Przy zasilaniu silników z falowników napięcia powstają znaczne
straty dodatkowe w magnetowodzie, na drodze strumienia głównego, zaleŜne od
widma harmonicznych napięć fazowych. Łącznie ze wspomnianymi wyŜej stratami
dodatkowymi z tytułu odkształcenia prądów fazowych silnika oznacza to (przy
niezmienionych innych warunkach) zwiększony strumień cieplny wydzielany we
-91-
wnętrzu silnika. Tylko eksperymentalnie moŜna wystarczająco dokładnie określić, czy
i w jakim stopniu naleŜy z tych powodów obniŜyć parametry standardowego silnika
uŜytego do zasilania z falownika. Informacje na ten temat powinien podawać
producent silników (tabl. 3). Zwłaszcza w przypadku silników w wykonaniu
przeciwwybuchowym, które teŜ bywają zasilane z przekształtników, kontrolować
trzeba dotrzymanie dopuszczalnych przyrostów temperatury silnika [8].
Rys.5.14. Uproszczony schemat układu zasilania silnika poprzez po
ś
redni przemiennik
cz
ę
stotliwo
ś
ci Od lewej: zasilanie z instalacji TN; bezpieczniki główne obwodu;
rozł
ą
cznik; filtr sieciowy (filtr przeciwzakłóceniowy z dławikami L
s
spełniaj
ą
cymi równie
Ŝ
rol
ę
dławików komutacyjnych); prostownik diodowy trójfazowy; obwód po
ś
rednicz
ą
cy
pr
ą
du stałego (filtr zło
Ŝ
ony z dławika L
p
i baterii kondensatorów C
p
, bezpiecznik B
p
,
zwiernik sterowany przetwornikiem pr
ą
du PP); falownik na tranzystorach IGTB z
szybkimi diodami zwrotnymi; obwód wyj
ś
ciowy silnika (przetworniki pr
ą
du, ekranowany
przewód zasilaj
ą
cy, silnik)
-92-
-93-
Z kolei dla izolacji głównej silnika, zwłaszcza dla izolacji Ŝłobkowej zezwojów,
groźne są naraŜenia napięciowe: wartość szczytowa impulsów napięciowych (U
peak
)
oraz stromości ich narastania (du/dt) podczas przełączania zaworów. Pamiętać trzeba,
Ŝ
e te naraŜenia następują z częstotliwością przetwarzania napięcia w falowniku, tysiące
razy w ciągu sekundy. Przyjmuje się [17], Ŝe naraŜenia te nie obniŜają znacząco
trwałości izolacji silnika o napięciu znamionowym 400V, jeśli są spełnione warunki:
U
peak
< 1000V; du/dt < 500 V/
µ
s. Tymczasem stromość narastania napięcia na wyjściu
falownika moŜe osiągać 2000
÷
3000 V/
µ
s. Przed dojściem do zacisków silnika moŜe ją
wyraźnie zmniejszyć pojemność przewodu łączącego silnik z przekształtnikiem,
zwłaszcza przewodu ekranowanego. Im dłuŜszy przewód, tym mniejsza stromość
napięcia du/dt na zaciskach silnika, ale wskutek przebiegów falowych zbyt długi
przewód moŜe niebezpiecznie podwyŜszyć amplitudę napięcia na zaciskach silnika.
Skutecznym, ale kosztownym sposobem ograniczenia naraŜeń napięciowych izolacji
silnika ( kilkakrotne obniŜenie stromości du/dt ) i zmniejszenia prądu upływowego w
obwodzie wyjściowym jest zastosowanie filtru wyjściowego za falownikiem (filtru
sinusoidalnego).
RozwaŜając specyficzne warunki pracy silników zasilanych z falowników nie
sposób pominąć pytania, jak ich obciąŜalność zaleŜy od prędkości obrotowej. Problem
nie jest nowy, występował od dawna, równieŜ przy regulacji prędkości obrotowej
klasycznymi metodami. Dotyka najbardziej silników o chłodzeniu własnym, o
swobodnym otwartym obiegu powietrza, wymuszonym wentylatorem na wole silnika.
Przy pewnych załoŜeniach upraszczających moc, jaką moŜna taki silnik obciąŜyć
oceniano [6] jako proporcjonalną do prędkości obrotowej w potędze 1,5 (P
∝
n
1,5
), tzn.:
72% przy 0,80
⋅
n
n
, 46% przy 0,60
⋅
n
n,
25% przy 0,40
⋅
n
n
. Są to warunki zbyt ostre,
pomijając m.in. fakt, iŜ obniŜaniu prędkości obrotowej towarzyszy zwykle obniŜanie
napięcia (zasada U/f=const) dla zachowania stałej wartości strumienia magnetycznego.
To, czy ochłodzenie własne silnika wystarczy i do jakiego poziomu obniŜonej
prędkości obrotowej, zaleŜy w duŜym stopniu od przebiegu charakterystyki momentu
oporowego T
o
w funkcji prędkości obrotowej n. Dla napędów o charakterystyce
wentylatorowej (T
o
∝
n
2
) wystarcza nawet przy znacznym obniŜeniu prędkości, przy
innych przebiegach T
o
(n), zwłaszcza przy charakterystyce dźwigowej (T
o
∝
n
0
), juŜ
niewielkie obniŜenie częstotliwości napięcia zasilającego i prędkości obrotowej silnika
wymaga zredukowania momentu i/lub dodatkowej wentylacji obcej. UŜytkownik
napędu nie jest w stanie dokładnie tych zaleŜności określić, powinien ją podawać
producent silników bądź producent przekształtników. Ten ostatni musi zresztą załoŜyć
określoną zaleŜność T
o
(n), P(n) , I(n) opracowując algorytmy działania
mikroprocesorowych zabezpieczeń przeciąŜeniowych silnika, stanowiąc integralne
wyposaŜenie przekształtnika.
5.3. PROBLEMY ZASILANIA I ZABEZPIECZEŃ POŚREDNICH
PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI
Pośredni przemiennik częstotliwości, jak kaŜdy przekształtnik, jest odbiornikiem
nieliniowym, pobierającym prąd odkształcony i wywołującym komutacyjne załamania
-94-
napięcia. Jeśli nie stosuje się środków zapobiegawczych, odznacza się on teŜ duŜym
prądem załączeniowym związanym z ładowaniem baterii kondensatorów w obwodzie
pośredniczącym. Dobór elementów obwodu zasilania przemiennika (rys. 5.14)
powinien uwzględniać te okoliczności, poczynając od konstatacji elementarnej – całe
wyposaŜenie obwodu zasilającego przekształtnik musi być dobrane do prądu
obciąŜenia pobieranego przez przekształtnik, a nie do prądu przez silnik bądź grupę
silników zasilanych z przekształtnika grupowego. Nie naleŜy zatem kierować się tzw.
„Rampami prądowymi” podawanymi dla obwodu wyjściowego falownika. WaŜny jest
prąd znamionowy przekształtnika w określonych warunkach uŜytkownika, a nie prąd
znamionowy silnika.
Zabezpieczeniem zwarciowym na początku obwodu zasilającego są zwykle
bezpieczniki (ew. rozłącznik bezpiecznikowy albo rozłącznik z bezpiecznikami), przy
czym producent przekształtnika określa właściwa klasę bezpieczników i ich prąd
znamionowy (I
n
< ... A). Jeśli w bloku wejściowym przemiennika nie ma
indywidualnych bezpieczników przy zaworach mostka prostowniczego, a taka jest
obecna praktyka, to w obwodzie zasilającym instaluje się bezpieczniki o
charakterystyce bardzo szybkiej aR lub gR (wytwórcy północnoamerykańscy zalecają
bezpieczniki CC, rzadziej J lub K). Przy silnym odkształceniu prądu wkładkom o
duŜym prądzie znamionowym (> 250 A) trzeba przypisać zredukowany prąd
znamionowy. JeŜeli w obwodzie instaluje się wkładki o niepełnym zakresie zdolności
wyłączania (aR, aM), to potrzebny jest wyłącznik lub rozłącznik samoczynny
wyłączający prądy mniejsze niŜ najmniejszy prąd wkładki „a”. Nie jest potrzebny prąd
znamionowy wkładek bezpiecznikowych znacznie przekraczający prąd pobierany w
warunkach znamionowych, jak w przypadku silników o rozruchu bezpośrednim, bo
nowsze przemienniki maja układ ograniczania prądu załączeniowego samego
przemiennika (prąd ładowania baterii kondensatorów C
p
), a prąd rozruchowy silnika
zawsze ograniczono do poziomu jego prądu znamionowego lub niewielkiej krotności
prądu znamionowego (np. 1,5ּI
n
).
JeŜeli w obwodzie zasilającym instaluje się stycznik lub inny rozłącznik, to
jego prąd znamionowy ciągły powinien być dobierany do prądu znamionowego
kompletnie wyposaŜonego przemiennika częstotliwości (z filtrami i obwodem
wejściowym), a zdolność załączania – do prądu załączeniowego przemiennika. Do
rozwaŜenia pozostaje sprawa koordynacji stycznika lub innego rozłącznika z
zabezpieczeniem zwarciowym, tzn. sprawdzenie, czy zastosowany rozłącznik i ew.
przekaźnik przeciąŜeniowy nadprądowy są naleŜycie dobezpieczone na wypadek
zwarcia w obwodzie. JeŜeli na początku obwodu są bezpieczniki aR lub gR o silnym
efekcie ograniczającym, to nietrudno zapewnić nawet koordynację typu 2, bo – jak
wyŜej wspomniano – bezpieczniki nie są przewymiarowane, a ponadto raczej nie
spotyka się w obwodzie zasilającym przemiennik pierwotnych przekaźników
termobimetalowych.
Standardowym wyposaŜeniem obwodu wejściowego jest przeciwzakłóceniowy
filtr sieciowy, dobierany przez producenta i stanowiący integralne wyposaŜenie
przekształtnika (rys. 5.14). Ogranicza on zaburzenia przewodzone w kierunku sieci
-95-
zasilającej ( w zakresie częstotliwości ok. 150 kHz), a ponadto spełnia kilka innych
funkcji.
Filtr zawiera szeregowe dławiki sieciowe L
s
zmniejszające współczynnik
szczytu prądu (ang. Crest factor) i w ogóle zmniejszające nieco odkształcenie prądu
THD pobieranego z sieci oraz ograniczające komutacyjne piki prądu i komutacyjne
załamania napięcia. Poprawia to jakość napięcia w punkcie przyłączenia do wspólnej
sieci (ang. Point of common coupling, PCC) I ułatwia dobór zaworów prostownika
oraz dobór aparatury w obwodzie zasilania przekształtnika. Wszelkie przyrządy
półprzewodnikowe mocy (diody lub tyrystory prostownika, tyrystory lub tranzystory
falownika) mają określony prąd powtarzalny szczytowy przewodzenia, którego
przekroczyć nie wolno. Trzeba je zatem dobierać do wartości szczytowej prądu, a nie
do wartości skutecznej, jak większość innych elementów instalacji. Zmniejszenie
współczynnika szczytu prądu oznacza zatem złagodzenie jednego z najwaŜniejszych
warunków doboru zaworów. Skutkiem ubocznym obecności dławików sieciowych jest
ich łagodzący wpływ na przebiegi i wartości prądów doziemnych w samym
przekształtniku i w obwodzie wyjściowym. Dławiki sieciowe na ogół tak się dobiera,
Ŝ
e przy obciąŜeniu znamionowym występuje na nich spadek napięcia ok . 4%.
Filtr sieciowy zawiera równoległe kondensatory C
s
bocznikujące prądy
zakłóceniowe tym skuteczniej, im wyŜsza jest ich częstotliwość, ale – niestety –
wprowadzające równieŜ duŜy prąd upływowy o częstotliwości 50 Hz. Całkowity prąd
upływowy odprowadzany przez filtr sieciowy do przewodu ochronnego, o widmie
zawierającym liczne harmoniczne, jest jedną ze składowych prądu w przewodzie
ochronnym; pozostałe składowe pochodzą z obwodu wyjściowego przemiennika, a w
niewielkim takŜe z jego wewnętrznych pojemności pasoŜytniczych. W niektórych
pośrednich przemiennikach częstotliwości duŜej mocy prąd upływowy samego
przeciwzakłóceniowego filtru sieciowego przekracza 200mA. Jeśli do tego dodać
prądy upływowe z innych źródeł, stają się oczywiste dylematy związane z ochroną
przeciwporaŜeniową. W roku 2001 w niemieckiej prasie technicznej próbowano
tworzyć ranking producentów pośrednich przemienników częstotliwości według
rosnącej wartości prądu upływowego.
0
20
40
60
80
100
120
1
2
3
4
5
6
7
harmoniczno
ść
Rys.5.15. Przykładowe widmo harmonicznych pr
ą
du pobieranego z sieci bez dławika Lp
(ciemne słupki) i z dławikiem Lp (jasne słupki)
-96-
Kolejną częścią składową (rys. 14) jest prostownik, mostek jedno- (małej
mocy) lub trójfazowy, diodowy lub tyrystorowy. Nie przedstawia szczególnych
problemów konstrukcyjnych ani zabezpieczeniowych w porównaniu z prostownikami
powszechnie spotykanych zasilaczy impulsowych. Zawory powinny mieć prąd
graniczny I
FAVM
dobrany do prądu załączeniowego przemiennika, o wartości zaleŜnej
od pojemności baterii kondensatorów C
p
oraz indukcyjności dławika L
p
obwodu
pośredniczącego. UŜycie w prostowniku tyrystorów o sterowanym współczynniku
przewodzenia albo wprowadzenie tranzystora IGBT jako przerywacza w obwodzie w
obwodzie pośredniczącym pozwala dowolnie zmniejszyć prąd załączeniowy, podobnie
jak w układach łagodnego rozruchu silników (ang. Softstart). Stosowane w starszych
konstrukcjach bezpieczniki indywidualne równoległych gałęzi zaworów powinny
przetrzymywać składową prądu załączeniowego płynącą w gałęzi. Z upływem lat
niezawodność zaworów znacznie wzrosła, a bezpieczniki bardzo szybkie do
zabezpieczania zaworów półprzewodnikowych pozostały bardzo drogie, wobec czego
coraz powszechniej poprzestaje się na jednym komplecie takich bezpieczników w
obwodzie zasilania przemiennika.
Obwód pośredniczący prądu stałego (rys. 5.14) zawiera przede wszystkim
baterię kondensatorów C
p
o duŜej pojemności. Dzięki temu z punktu widzenia
zasilania falownika napięcia prostownik objawia się jak źródło napięcia o bardzo małej
impedancji wewnętrznej. ObniŜa się tętnienie prądu stałego pobieranego z obwody
pośredniczącego i odkształcenie prądu wyjściowego falownika. Zmniejsza to
dodatkowe straty mocy i wpływa korzystnie na trwałość najwaŜniejszych elementów
układu: silnika, przemiennika i samego kondensatora (baterii kondensatorów). Dławik
L
p
w obwodzie pośredniczącym zmniejsza prąd załączeniowy przemiennika
ograniczając naraŜenia prądowe zaworów prostownika, wygładza prąd w obwodzie
pośredniczącym i powaŜnie zmniejsza odkształcenie prądu pobieranego z sieci (rys.
5.15).
M
Rys.5.16. Drogi przepływu pr
ą
du zwarciowego w razie zwarcia gał
ę
zi falownika
Zwarcia międzyfazowe i doziemne w obwodzie wyjściowym falownika
zagraŜają przede wszystkim tranzystorom IGBT. elementom o tak duŜej wraŜliwości
na przetęŜenia, Ŝe nie są w stanie ich uchronić przed zniszczeniem bezpieczniki o
charakterystyce bardzo szybkiej (aR, gR). Ta szczególna wraŜliwość tranzystorów
-97-
IGBT wynika z ich budowy, mianowicie tranzystorem o większym prądzie
wyjściowym Ic jest moduł o strukturze monolitycznej, złoŜony z wielkiej liczby
równolegle połączonych pojedynczych elementów, z których kaŜdy zawiera
strukturę wejściową MOS (bramkę) i strukturę wyjściową bipolarną przewodzącą
prąd obciąŜenia stanie włączenia, a takŜe równolegle włączoną szybką diodę
zwrotną (ang. soft-switching-off diode). Na przykład moduł 2400 A zawiera aŜ 70
tranzystorów, ale ma cieplną stałą czasową w przybliŜeniu taką, jak pojedynczy jego
element składowy.
Właściwym zabezpieczeniem tranzystorów IGBT są ultraszybkie układy
elektroniczne odwracające polaryzację napięcia sterującego U
GE
pojedynczych
tranzystorów (blokada bramkowa). Sygnał bramkowy o przeciwnej polaryzacji
wyłącza tranzystor w czasie 2
÷
5 mikrosekund. Gdyby to zabezpieczenie zawiodło i
doszło do uszkodzenia obu tranzystorów jednej gałęzi mostka albo gdyby zostały
one jednocześnie załączone w następstwie uszkodzenia układu sterowania, to
powstałe zwarcie byłoby zasilane (rys. 5.16) z kondensatora obwodu pośredniczącego i
z instalacji obiektu. W pierwszych milisekundach zwarcia, rozstrzygających o
jego skutkach, udział instalacji zewnętrznej w skutku cieplnym I
2
t prądu
zwarciowego byłby pomijalnie mały. Decydujące znaczenie ma energia zakumulowana
w kondensatorze obwodu pośredniczącego, który rozładowuje się w obwodzie o
bardzo małej rezystancji i bardzo małej indukcyjności, bo ze względu na duŜą
częstotliwość przełączania zaworów wszelkie połączenia wewnętrzne falownika
muszą być jak najkrótsze, by ograniczyć indukcyjne spadki napięcia
dt
di
L
objawiającymi się jako przepięcia. W sytuacji, jak na rys. 5.16, bez dodatkowych
zabezpieczeń, doszłoby przypuszczalnie do rozerwania obudów modułów tranzystorów
i eksplozji kondensatora, a w następstwie - do zwarć łukowych zagraŜających
uszkodzeniem innych bloków przemiennika. Jako zabezpieczenie stosuje się
powszechnie (rys. 5.14) zwiernik zwierający obwód prądu stałego w razie zwarcia w
falowniku, które wykrywa przetwornik prądu w obwodzie pośredniczącym.
Zwiernikiem jest zwykle tyrystor, a jego parametry nie są wygórowane, bo startuje on
ze stanu zimnego, w Ŝadnej innej sytuacji nie przewodzi prądu. Ostatnio niektóre
firmy. np. SIBA [9], zalecają bezpiecznik bardzo szybki w obwodzie pośredniczącym
(rys. 5.14). Jego rolą nie jest zabezpieczenie tranzystorów przed skutkami zwarcia,
bo to niewykonalne, lecz niedopuszczenie do rozerwania obudów modułów
tranzystorowych i baterii kondensatorów C
p
.
Nie
stosuje
się
Ŝ
adnych
wyłączników
zabezpieczeniowych
między
przemiennikiem częstotliwości a silnikiem, bo nie jest to konieczne, a ponadto w
wyniku odkształcenia prądu mogłyby występować zadziałania zbędne albo brakujące.
Punktu gwiazdowego uzwojeń silnika nie naleŜy uziemiać.
Przekształtnik zasilam napięciem l,05U
n
powinien wytrzymywać skutki
zwarcia na zaciskach wyjściowych do c h w i l i zadziałania zabezpieczenia
zastosowanego (ew. zalecanego) przez producenta. W Komitecie Technicznym IEC
TC22 od kilku lat dyskutuje się procedury badań zwarciowych przekształtnikowych
-98-
układów napędowych i jednolite kryteria ich oceny. Po wystąpieniu zwarcia doziem-
nego falownik wyłącza się w czasie nie przekraczającym ok. 100 ms, zaleŜnym od
impedancji przejścia i częstotliwości napięcia wyjściowego. Przemiennik na ogół
ma teŜ elektroniczny układ ograniczenia prądu wyjściowego z moŜliwością
nastawienia progu prądowego na poziomie przykładowo (l,25
÷
2,0)I
n
. Ograniczenie
następuje na określony czas, np. 0.5 s, a jeśli zakłócenie trwa dłuŜej, to obwód
wyjściowy zostaje pozbawiony napięcia przez zablokowanie zaworów. Ponownego
rozruchu musi dokonać operator wyłączając przemiennik spod napięcia i ponownie go
załączając.
5.4. PROBLEMY
KOMPATYBILNOŚCI
ELEKTROMAGNETYCZNEJ OBWODU WYJŚCIOWEGO
Była wyŜej mowa o moŜliwościach ograniczania odkształcenia prądu
pobieranego z sieci, o emisji do niej zaburzeń przewodzonych wysokiej
częstotliwości, o ograniczaniu załamań napięcia i o koordynacji niektórych
elementów
składowych
pośredniego
przemiennika
częstotliwości.
Innym
kłopotliwym problemem jest przewód łączący przemiennik z silnikiem,
przewodzący prąd odkształcony i przenoszący impulsowe napięcie o duŜej stromości i
amplitudzie. Problemu nie ma w przypadku konstrukcji zespolonej, kiedy przemiennik
stanowi konstrukcyjną całość z silnikiem o nieduŜej mocy. Problem jest błahy, kiedy
przemiennik jest zainstalowany tuŜ przy silniku, w odległości nie przekraczającej
kilku metrów, co zresztą zaleca się, ilekroć warunki środowiskowe w miejscu
instalacji silnika na to pozwalają.
Wchodzi w rachubę uŜycie przewodów nieekranowanych bądź przewodów
ekranowanych produkowanych specjalnie do takich zastosowań. Przewody
ekranowane są zalecane w dwóch sytuacjach:
•jeśli przestrzeń, w której mają być układane przewody nie jest znacząco
skaŜona elektromagnetycznie i - ze względu na obecność szczególnie wraŜliwych
obiektów - powinna taką pozostać,
•jeśli w tej przestrzeni występuje silny smog elektromagnetyczny, który
mógłby szkodliwie oddziaływać na nowo projektowany obwód wyjściowy falownika.
Przewody ekranowane mają znacznie większe pojemności doziemne (Ŝyła-
ekran) niŜ przewody nieekranowane, zwłaszcza jeśli te ostatnie nie są układane w
metalowych rurach lub konikach bądź na podłoŜu metalowym. Te zwiększone
pojemności trzeba oceniać ambiwalentnie:
•
Jest to okoliczność korzystna, bo ekranowanie przewodów zmniejsza stromość
narastania impulsów napięcia dochodzącego do zacisków silnika. Przypadek
ten nawiązuje do klasycznego zastosowania kondensatorów w ochronie
przeciwprzepięciowej z tym, Ŝe tutaj są to pojemności rozłoŜone, a nie
skupione.
•
Jest to okoliczność niekorzystna, bo skokowe zmiany napięcia w obwodzie
wyjściowym
wywołują
przepływ
znacznych
impulsowych
prądów
upływowych przez pojemności międzyprzewodowe i doziemne Ŝył przewodów
ekranowanych. Te prądy upływowe, o przebiegu tłumionych oscylacji,
-99-
stanowią dodatkowe obciąŜenie falownika, utrudniają dobór zabezpieczeń
przeciąŜeniowych nadprądowych na jego wyjściu i komplikują rozwiązania
ochrony
przeciwpoŜarowej
a
nawet
niektóre
szczegóły
ochrony
przeciwzakłóceniowej.
W rezultacie, korzystne ze względu na pewne aspekty ochrony
przeciwzakłóceniowej, przewody ekranowane nie mogą być zbyt długie. Na przykład
dla przemienników VLT firmy Danfoss dopuszczalna długość przewodów obwodu
wyjściowego wynosi:
150 m - dla przewodów ekranowanych (120
÷
220 pF/m); jeśli długość obwodu
jest większa, mogą okazać się konieczne silniki o podwyŜszonej obciąŜalności
napięciowej, np. co najmniej 1000 V/
µ
S
i 1300 V.
300 m - dla przewodów nieekranowanych.
W sytuacjach kłopotliwych wchodzi w rachubę uŜycie filtru wyjściowego ( n a
wyjściu falownika) zmniejszającego stromość napięcia w obwodzie wyjściowym (filtr
du/dt) i tłumiącego impulsowe prądy upływowe, co umoŜliwia wydłuŜenie przewodów
do silnika.
Skoro przez pojemności obwodu wyjściowego płyną znaczne prądy, to prąd
wyjściowy przemiennika nie jest równy prądowi wpływającemu do silnika, a róŜnica
jest szczególnie duŜa w przypadku silników o małej mocy zasilanych długimi
przewodami ekranowanymi. W takich przypadkach prąd na wyjściu falownika nie jest
miarodajną wielkością ani dla celów sterowania, ani dla celów zabezpieczenia
przeciąŜeniowego silnika. Układ zabezpieczeń silnika, działający na takiej zasadzie, jak
opisane w rozdz. 1.2 przekaźniki nadprądowe mikroprocesorowe wraz z czujnikami
temperatury w s i l n i k u i wszystkimi dodatkowymi członami (niesymetrii prądowej i
napięciowej, podnapięciowym itd.), jest integralną częścią przemiennika częstotliwości.
Idealnie
Styczno
ść
z SW
na całym
obwodzie
kraw
ę
dzi ekranu
Zakazane
Akceptowane
Szyna masy
przył
ą
czona
do obudowy
Poprawne
Obejma
SW
Rys.5.17. Rys. Sposoby przył
ą
czania ekranu elektromagnetycznego na ko
ń
cach przewodu
ekranowanego.
-100-
Sposoby przyłączania ekranu elektromagnetycznego na końcach
przewodu ekranowanego.
Jeśli przewody łączące przemiennik z silnikiem są ekranowane, to naleŜy
przestrzegać następujących zasad:
•Ekran elektromagnetyczny jest elementem ochrony przeciwzakłóceniowej i nie
powinien być wykorzystywany jako samodzielny przewód ochronny PE.
•Przewód ochronny PE obwodu silnikowego powinien być jedną z Ŝył
przewodu ekranowanego, a nie osobno ułoŜonym przewodem. Ma być objęty ekranem.
•Ekran powinien być obustronnie uziemiony przez połączenie z szyną
ochronną przemiennika (na początku) i korpusem silnika (na końcu).
•Zakończenie ekranu nie powinno być przyłączane do zacisku wyrównawczego
metodą „świńskiego ogonka" (niem. Schirmschwänzchen), jak na górnym lewym
szkicu z rys. 5.17. Zaledwie półśrodkiem są obejmy zaciskowe obejmujące ekran
praktycznie na całym obwodzie. Tam. gdzie waŜna jest ochrona przed zakłóceniami o
częstotliwości rzędu l MHz i większej ekran powinien być na całym obwodzie
przewodu połączony bezpośrednio z przewodzącą obudową urządzenia, do którego
wprowadza się przewód (dolny prawy szkic na rys. 5.17). Pojedynczy przewód ma
indukcyjność ok. l
µ
H/m. dwa „ogonki" o długości po 0.1 m na obu końcach
przewodu maja zatem indukcyjność 2 • 0.1m • l
µ
H/m = 0,2
µ
H. co przy
częstotliwości prądu zakłóceniowego l MHz daje reaktancję X =
ω
•L = 2π•1O
6
•
0,2•10
6
= l .25
Ω
. Impedancja sprzęŜeniowa ekranu grupy Ŝył ma wartość zaleŜną od
budowy przewodu, a zwłaszcza jego ekranu (rys. 5.18). JeŜeli za wartość przeciętną
przyjąć l m
Ω
/m. dochodzi się do zaskakującego wniosku: przy częstotliwości l MHz
dwa króciutkie „ogonki" na końcach przewodu wprowadzają takie napięcie
zakłóceniowe, jak impedancja sprzęŜeniowa ekranu odcinka przewodu o długości
1250 m.
-101-
Rys.5.18. Impedancja sprz
ęŜ
eniowa [m
\m] ekranu grupy
Ŝ
ył przewodów ró
Ŝ
nej budowy w
zale
Ŝ
no
ś
ci od cz
ę
stotliwo
ść
) (materiały firmy Danfoss)
Uziemienie robocze(funkcjonalne)elektronicznych układów sterowania w
zasadzie naleŜy łączyć z szyną ochronną PE przekształtnika i/lub rozdzielnicy.
Połączenia powinny być jak najkrótsze i wykonane przewodami płaskimi(taśmami).W
tym celu szyna ochronna o duŜym przekroju powinna być wystarczająco długa (np. na
całą wysokość pola rozdzielnicy) i powinna być dostępna tuŜ przy kaŜdym bloku
wymagającym takiego połączenia. Dla ochrony przeciwzakłóceniowej impedancja
połączeń z szyną (zaleŜna od częstotliwość) jest znacznie waŜniejsza niŜ rezystancja
uziemienia tej szyny.
5.5. 5.PROBLEMY OCHRONY PRZECIWPORAśENIOWEJ
Przemienniki częstotliwość oraz ich obwody zasilające i wyjściowe, łącznie z
silnikami, podlegają ogólnym zasadą ochrony przeciwporaŜeniowej, oczywiście z
uwzględnieniem specyficznych i trudnych obwodów związanych z przekształtnikami
energoelektronicznymi.
Obowiązuje ochrona podstawowa (ochrona przed dotykiem bezpośrednim)
polegająca na stosowaniu izolacji podstawowej części czynnych oraz osłon o
odpowiednim stopniu ochrony IP. W przypadku izolacji podstawowej pamiętać trzeba
-102-
o jej naraŜeniu na wszelkie przepięcia ,równieŜ przepięcia komutacyjne o wartości
zaleŜnej nie tylko od stromości prądu ,lecz równieŜ od indukcyjności połączeń
wewnętrznych. O odporności przemiennika na napięcia impulsowe decyduje
wytrzymałość elektryczna izolacji elektrod tranzystorów IGBT względem uziemionego
radiatora. Przestrzegać trzeba wszelkich uznanych reguł technicznych konstrukcji
przekształtników, nawet tych pozornie błahych. Na przykład płytki obwodów
drukowanych powinny być mocowane raczej pionowo, a nie poziomo, by były mniej
naraŜone na osiadanie kurzu. RóŜne zabiegi konstrukcyjne [12] pozwalają zwiększyć
bezpieczeństwo personelu podczas przygotowania urządzenia do pierwszego
uruchomienia, czynności regulacyjnych i wyszukiwania uszkodzeń.
Obowiązuje na ogólnych zasadach ochrona dodatkowa (ochrona przy dotyku
pośrednim).Oznacza to, Ŝe w razie uszkodzenia izolacji podstawowej, w razie zwarcia
z częścią przewodzącą, dostępną, powinno nastąpić:
•
albo samoczynne wyłączenie zasilania przez przystosowane do tego
zabezpieczenie
zwarciowe
bądź
róŜnicowoprądowe
(z
przerwaniem
galwanicznej ciągłości obwodu zasilania)
•
albo ograniczenie występujących napięć dotykowych do poziomu nie
przekraczającego wartości dopuszczalnych)
Rys.5.19. Reprezentatywne miejsca zwar
ć
doziemnych w obwodach po
ś
redniego przemiennika
cz
ę
stotliwo
ś
ci
Oczywiście układ powinien być zabezpieczony przed skutkami zwarć
powstałych w dowolnym miejscu instalacji. (rys. 5.19):
•
-zwarć między biegunowych powodujących cieplne i elektrodynamiczne
natęŜenia elementów instalacji oraz
•
-zwarć doziemnych powodujących zagroŜenie poraŜeniem, a w układzie TN –
równieŜ naraŜenia cieplne i elektrodynamiczne elementów instalacji.
-103-
Osobliwością obwodów wszelkich przekształtników jest to, Ŝe przebieg
czasowy prądu zwarciowego zaleŜy od miejsca zwarcia i Ŝe zwarcie międzybiegunowe
i zwarcie doziemne w tym samym miejscu moŜe charakteryzować się innym
przebiegiem prądu zwarciowego.
Przy zwarciu doziemnym w obwodzie zasilającym pośredniego przemiennika
częstotliwości płynie prąd o przebiegu i wartości, jak w kaŜdym innym obwodzie
instalacji o układzie TN . Fakt, Ŝe obwód zasila akurat przemiennik jest bez znaczenia,
dopóki miejsce zwarcia znajduje się przed zaciskami wejściowymi samego
przemiennika. Przy zwarciu doziemnym w obwodzie pośredniczącym płynie prąd
jednokierunkowy o określonym tętnieniu.
W razie zwarcia doziemnego w obwodzie wyjściowym płynie prąd przemienny
odkształcony. Obwód wyjściowy jest obciąŜony niesymetrycznie, a przy zasilaniu z
układu TN stopień asymetrii jest duŜy, ale obwód pośredniczący prądu stałego sprawia,
Ŝ
e obwód zasilający przemiennika mimo to jest nadal obciąŜony symetrycznie.
Następuje symetryzacja prądów po stronie zasilania przemiennika i nie moŜna liczyć
na to, Ŝe w wyniku zwarcia jednofazowego z ziemią w obwodzie wyjściowym prąd w
jednej z faz obwodu zasilającego przekształtnik wzrośnie i to w stopniu
umoŜliwiającym pobudzenie zabezpieczenia nadprądowego.
Falownik przemiennika jest wyposaŜony w zabezpieczenia od skutków zwarć
międzybiegunowych i doziemnych w obwodzie wyjściowym, ale kryterium ich
działania jest zabezpieczenie przed uszkodzeniem przekształtnika, zwłaszcza
wyjątkowo wraŜliwych tranzystorów IGBT , a nie wymagania ochrony
przeciwpoŜarowej. Algorytm działania moŜe być następujący:
•
-pomimo wystąpienia doziemienia układ nadal pracuje, jeśli prąd doziemny ma
niewielką wartość (zasilanie z układu IT i/lub duŜa rezystancja w miejscu
zwarcia),
•
-w razie wystąpienia duŜego prądu zwarcia L-PE (zasilanie z układu TN i mała
rezystancja w miejscu zwarcia) następuje bezzwłocznie (<10ms) wyłączenie
napięcia wyjściowego poprzez wyłączenie tranzystorów falownika; takie
zadziałanie zabezpieczeń przekształtnika nie daje szansy interwencji Ŝadnemu
poprzedzającemu zabezpieczeniu nadprądowemu a to filtrami.
Jednakowo Ŝ, jak to moŜna przeczytać w punkcie3.3.5 projektu nowelizacji
przepisów [11], ,,Stan blokowania łącznika półprzewodnikowego lub przekształtnika
nie powinien być uwaŜany za wyłączenie zasilania dla celów ochrony
przeciwporaŜeniowej’’ , bo nie gwarantuje galwanicznego oddzielenia uszkodzonego
obwodu od poprzedniej instalacji zasilającej pozostającej pod napięciem. Z róŜnych
względów funkcjonalnych zawory, zwłaszcza zawory głównie w pełni sterowane, są
bocznikowane a to diodami zwrotnymi, a to filtrami.
JeŜeli nawet z podanych powodów nie moŜna zapewnić samoczynnego
wyłączenia zasilania to skuteczność ochrony dodatkowej bez trudu mogą
zagwarantować odpowiednio wykonane miejscowe połączenia wyrównawcze :
-104-
•
-do przemiennika i silnika naleŜy doprowadzić przewody ochronne PE o
wymaganym przekroju ,w Ŝadnym razie nie mniejszym niŜ 10mm2 (miedziane)
ze względu na duŜy prąd upływowy
•
-w poprzedzających rozdzielnicach naleŜy wykonać połączenia wyrównawcze
PE z pobliskimi częściami przewodzącymi obcymi
•
-jeŜeli przemiennik i / lub silnik są oddalone od są oddalone od rozdzielnicy z
miejscowymi połączeniami wyrównawczymi , to zaleca się wykonać połączenia
wyrównawcze między szyną ochronną przemiennika i / lub korpusem silnika a
najbliŜszymi częściami przewodzącymi obcymi.
•
-skuteczność ochrony dodatkowej za pomocą połączeń wyrównawczych
miejscowych moŜna potwierdzić obliczeniowo zgodnie z postanowieniem PN-
IEC60364-4-41, pkt 413.1.3.5.
Jako rozwiązanie ostatnie w kolejności wchodzą w rachubę wyłączniki
róŜnicowoprądowe, jako urządzenia zapewniające samoczynne wyłączenie zasilania.
Jest to rozwiązanie, do którego z następujących powodów nie naleŜy uciekać się
pochopnie:
•
-przemienniki częstotliwości bywają instalowane w obwodach silników,
których ciągłość pracy ma pierwszorzędne znaczenie i trudno akceptować
zbędne ich wyłączenia z błahych powodów, bez istotnego zagroŜenia, np. z
powodu
przejściowego
zwiększonego
prądu
upływowego.
Lobby
róŜnicowoprądowe ukrywa przed polskimi elektrykami, Ŝe Normy Europejskie
zabraniają stosowania wyłączników róŜnicowoprądowych w obwodach
bezpieczeństwa, a wielu innych – odradzają ich stosowanie.
•
-W rozwaŜanym układzie występują duŜe prądy upływowe samego
przemiennika (filtr wejściowy, ewentualny filtr wyjściowy, pojemności
pasoŜytnicze ) i obwodu wyjściowego ( przewód, zwłaszcza ekranowy,
pojemności doziemne uzwojeń silnika ). Prąd upływowy samego przemiennika
duŜej mocy moŜe przekraczać 0,2A, a całego układu- przekraczać wartość 1 A.
dla uniknięcia zbędnych wyłączeń prądu niezadziałania wyłącznika
róŜnicowoprądowego powinien być z pewnym marginesem bezpieczeństwa
większy niŜ prąd róŜnicowy w miejscu zainstalowania. Tymczasem trudno te
prądy porównać, skoro prąd niezadziałania wyłącznika odnosi się do prądu 50
Hz, a prąd róŜnicowy ma widmo częstotliwościowe od zera do dziesiątków,
kiloherców i więcej. Nieliczni producenci podawali dotychczas, jak włącznik
zachowuje się przy prądzie róŜnicowym o częstotliwości zwiększonej najwyŜej
do 400 Hz, unikając jakichkolwiek informacji o działaniu przy częstotliwości
jeszcze większej. Trzeba, więc uŜywać wyłącznika róŜnicowoprądowego o
stosunkowo duŜym znamionowym róŜnicowym prądzie zadziałania i to
wyłącznika, którego pobudzenie przy rzeczywiście występującym przebiegu
prądu róŜnicowego nie jest w pełni rozpoznane.
-105-
ZwaŜywszy, Ŝe prąd róŜnicowy moŜe mieć rozmaity przebieg w czasie (rys.
5.19), moŜe mieć widmo obejmujące prąd stały i składowe przemienne o szerokim
zakresie
częstotliwości,
w
obwodach
zasilających
pośrednie
przemienniki
częstotliwości wymagane są [18] urządzenia róŜnicowoprądowe o wyzwalaniu typu B,
czyli kosztowne i durze, z dwoma systemami detekcji prądu róŜnicowego.
Jak widać, poprawny dobór wyłączników róŜnicowoprądowych do obwodu
przekształtników jest kłopotliwy [3, 10, 12,13]. Sytuacje moŜna trochę poprawić przez
ograniczenie impulsowych prądów upływowych w obwodzie wyjściowym,
wynikających z częstotliwości przetwarzania napięcia w falowniku, stosując na
wyjściu przemiennika dławiki trójfazowe: dławik symetryczny obniŜający wartość
szczytową prądu płynącego przez pojemności między fazowe i dławik spolaryzowany
tłumiący składową prądu płynącą pojemności doziemne.
Klasyczny wyłącznik róŜnicowoprądowy o wyzwalaniu typu B, o
czułości 30 mA da się zastosować tylko w obwodzie zasilającym przemiennika
niewielkiej mocy, np. 5 kW, o krótkim obwodzicie wyjściowym. W urządzeniach
przemysłowych z przemiennikami duŜej mocy i dłuŜszymi obwodami wyjściowymi
klasyczny wyłącznik B o czułości 300 lub 500 mA moŜe podlegać nieustannym
zbędnym pobudzeniom.
Nadzieję na rozwiązanie błędnego koła przedstawionych wyŜej
dylematów
stosowania
wyłączników
róŜnicowoprądowych
w
obwodach
przekształtników większej mocy przynoszą najnowsze konstrukcje na wpół
inteligentnych wyłączników. Wykorzystują one tę okoliczność, Ŝe:
Inne jest widmo prądów upływowych podczas normalnej pracy, na które
wyłącznik nie powinien reagować.
Inne jest widmo prądów o zwarć doziemnych, po wykryciu, których wyłącznik
powinien wyłączyć chroniony obwód.
Chodzi o wyłączniki o wyzwalaniu typu B, o działaniu niezaleŜnym od napięcia
sieciowego, do pracy w obwodach o napięciu 30
÷
400 Vac, o prądzie znamionowym
ciągłym do 125A krótkozwłoczne i zwłoczne ( selektywne S), aby przetrzymały
przejściowe prądy róŜnicowe towarzyszące załączaniu przemienników częstotliwości.
Wykrywają wszelkie wchodzące w rachubę prądy róŜnicowe od prądu stałego o
pomijalnym tętnieniu do prądów wysokiej częstotliwości (do50 kHz). Mają
zmniejszoną czułość na prądy róŜnicowe o częstotliwości 100
÷
1000Hz, co ma
zapobiegać zbędnym zadziałaniem wywołanym przez harmoniczne rzędu podzielnego
przez trzy (ang. triplen), płynące w przewodzie ochronnym: trzecią (150 Hz), dziewiątą
(450 Hz) oraz piętnastą (750 Hz), dominujące w prądzie róŜnicowym wykrywanym
przez wyłącznik.
JeŜeli prąd zadziałania przy częstotliwościach większych niŜ 100Hz nie
przekracza 0,3A, to paradoksalnie taki wyłącznik mógłby być uznany za ochronę
uzupełniającą na równi z wyłącznikiem 30mA w obwodzie 50Hz. O ile bowiem przy
częstotliwości 1 kHz prąd graniczny samouwolnienia jest tylko 1,6-krotnie większy
niŜ prąd 50 Hz wywołujący ten san efekt. To graniczny długotrwały prąd
niefibrylacyjny jest aŜ 14-krotnie większy (14*30 mA= 420mA), a to właśnie prąd
-106-
niefibrylacyjny jest obecnie głównym kryterium ochrony uzupełniającej. Przed
jakimkolwiek rozstrzygnięciem normalizacyjnym naleŜałoby jednak wziąć pod uwagę
wszelkie inne skutki patofizjologiczne długotrwałego raŜenia prąden 300mA o
częstotliwości 1000 Hz.
a)
b)
Rys.5.20. Zale
Ŝ
no
ść
pr
ą
du niezadziałania (dolna linia) i pr
ą
du zadziałania (grna linia)
wył
ą
czników ró
Ŝ
nicopr
ą
dowych DFS 8B FU w zale
Ŝ
no
ś
ci od cz
ę
stotliwo
ś
ci pr
ą
du
róznicowego zmieniaj
ą
cej si
ę
od 1 Hz do 50 kHz; a) wył
ą
cznika o znamionowym
ró
Ŝ
nicowym pr
ą
dzie zadziałania 30mA (w zakresie 1
÷
100 Hz); b) wył
ą
cznika o
znamionowym ró
Ŝ
nicowym pr
ą
dzie zadziałania 1000mA (w zakresie 1
÷
100 Hz oraz
1,5
÷
50 kHz )
Takie właściwości firma Doepoke [19] przypisuje swoim wyłącznikom DSB
4B oraz DFS 4B FU, które niedawno ukazały się na rynku. Ten drugi mógłby być
uŜyty w roli ochrony uzupełniającej, jeŜeli częstotliwość napięcia wyjściowego
falownika nie przekracza 100 Hz. W takim przypadku przy oporowym zwarciu
doziemnym nie mogą pojawić się prądy róŜnicowe o częstotliwości z zakresu
100
÷
1000 Hz, lecz tylko prądy o częstotliwości sieciowej (50 Hz), o częstotliwości
napięcia wyjściowego (
≤
100 Hz) oraz o częstotliwości przełanczania falownika i jej
harmonicznych (> 1kHz). Trzeci z oferowanych typów wyłączników to DFS 4B FU S
(zwłoczny) umoŜliwiający wybiorczą współpracę z poprzednimi odmianami
wyłączników krótkozwłocznych. Niektóre wykonania wyłączników mają znamionowy
róŜnicowy prąd zadziałania (0,03A przy 50 Hz) nienastawialny, jak w większości
innych konstrukcji, inne – umoŜliwiają nastawianie tego prądu, wybranie właściwej
wartości spośród następujących: 0,1A, 0,3A i 10A. prezentowane wyłączniki
róŜnicowoprądowe są przeznaczone w szczególności do obwodów zasilających silnik
poprzez pośrednie przemienniki częstotliwości. Nie znaczy to jednak, Ŝe są one
jedynym rozwiązaniem ochrony przeciwporaŜeniowej w takich instalacjach ani nawet,
Ŝ
e są rozwiązaniem szczególnie zalecanym.
5.6. LITERATURA DO ROZDZIAŁU
[1 ] Bernartt J.: Silniki indukcyjne do zasilania przekształtnikowego. Wiad. Elektot. 1998, nr 4, s. 222-225.
[2 ] Charoy A.: Zakłucenia w urządzeniach elektronicznych. Tom 3. WNT, Warszawa, 2000.
[3 ] Dorner H.: Betrieb von Umrichtern und FI-Schutzschaltern in einer Anlage. Antriebstechnik, 2000, nr 4,
s. 44-45.
-107-
[4 ] Gómez J. i inni: Fuse unexpected operations in soft-starters by dissimilar current distribution. Proc. Sixth
Int. Conf. Electr. Fuses and their Applicat., Turin, 1999, s. 177-181.
[5 ] Grigsby L. C.: the electric power engineering handbook. CRC Press, IEEE press, N.Y.,1998.
[6 ] Janczewski J.: ObciąŜalność silników przy regulacji prędkości obrotowej. Wiad. Elektot., 1957, nr2, s.
39-40.
[7 ] Kyei J. i inni: The design of power acceptability curves. IEEE Trans. Power Delivery, 2002, nr 3, s.828-
833.
[8 ] Lehrmann Ch., Lienesch F., Engel U.: Oberschwingungsverluste und Erwärmungen umrichtergespeister
Induktionsmaschinen. Bestimmung der Verluste in Abhängigkeit der Betriebsparameter. Bull. SEV, 2002, nr
15, s.9-14.
[9 ] Liszak V.: schmelzsicherungen im frequenzumrichter – Vereinfachte Auslegung durch Rechner-
simulation. Etz, 1996, nr 9, s.30-33.
[10] Michalski A. I inni: Zabezpieczenia zwarciowe I kompatybilność przekształtnika częstotliwości
zasilającego silnik napędowy. Wiad. .Elektot., 2004, nr9, s. 31-33.
[11] Musiał E., Jabłoński W.: Warunki techniczne jakim powinny odpowiadać urządzenia
elektroenergetyczne niskiego napięcia w zakresie ochrony przeciwporaŜeniowej. Biuletyn SEP. INPE
„Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, nr 24, marzec1999, s. 3-56.
[12] Pytlak A., Świątek H.: Ochrona przeciw poraŜeniowa w układach energoelktronicznych. COSiw SEP,
Warszawa, 2002.
[13] RCD-Einstaz in Anlagen mit elektronischen Betriebsmitteln. Elektro praktiker, 2004,nr 4, s. 340-341.
[14] Rice D.: Adjustsble speed drive and power rectifier harmonics-Their effect on power system componets.
IEEE Trans. Ind. Applicat., 1986,nr 1,s.161-177,
[15] Wagner V. E. I inni: Effects of harmonics on equipment – Report of the IEEE Task Force. IEEE Trans.
Power Delivery, 1993, nr 2, s. 672-680.
[16] Zyborski J., Lipski T., Czucha J.: Zabezpieczenia diód i tyrystorów . WNT, Warszawa, 1985.
[17] PN-E_06717:1994 Maszyny elektryczne wirujące. Wytyczne stosowania silników indukcyjnych
klatkowych zasilznych z przekształtników.
[18] PN-EN-50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach duŜej mocy.
[19] Witryna internetowa firmy Doepke.
Główne źródło:
Musiał E.: Zabezpieczanie siklników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. Biul. SEP INPE
„ informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2004, nr 59-60,s.l3-35.
6. OCHRONA
PRZECIWPORAśENIOWA
INSTALACJI
NAPĘDOWYCH Z NAPIĘCIOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZĘSTOTLIWOŚCI
6.1.
PRACA PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO W STANACH
AWARYJNYCH.
Napięciowy przemiennik częstotliwości stosowany w napędzie silników
indukcyjnych jest nieliniowym odbiornikiem energii zawierającym duŜą pojemność
gromadzącą energię napięcia stałego. Następuje w nim podwójna transformacja
energii. Energia napięcia przemiennego o stałej wartości skutecznej i częstotliwości
przekształcana jest na napięcie przemienne o regulowanej wartości skutecznej i
częstotliwości. W tym procesie pośrednio energia zasilania przemiennika
przekształcana jest na energię napięcia stałego. Schemat blokowy przemiennika
napięciowego z zaznaczeniem potencjalnych punktów doziemienia elementów
czynnych o róŜnych rodzajach prądu doziemnego przedstawiono na rys. 6.1.
-108-
falownik
stopie
ń
po
ś
redni
prostownik
3x400V
M
SILNIK AC
L
dc
C
C
L
dc
PE
A
B
C
Rys.6.1. Schemat blokowy przemiennika napi
ę
ciowego z prostownikiem 3F6D i silnikiem. Pr
ą
dy
doziemne: A – pr
ą
d przemienny o parametrach sieci zasilania, gdzie U
SK ZW
=230V, f =
50Hz, B – pr
ą
d stały, gdzie U
DC ZW
=1/2xU
DC
=280V, C – pr
ą
d o kształcie fali
prostok
ą
tnej, gdzie: U
p ZW
= 280V i f
p
= kilka kHz).
Napięciowe przemienniki częstotliwości stanowią trudny do analizy pod
względem ochrony przeciwporaŜeniowej odbiornik energii elektrycznej. Jest to
urządzenie pracujące w rozproszonej strukturze ze względu na znaczną odległość
silnika od przemiennika częstotliwości. Nawet bez stosowania dodatkowych filtrów
LC dołączonych do wyjść mocy przemiennika odległości te osiągają wartości do
300m. W wielu zastosowaniach wymagane jest stosowanie kabla silnikowego
ekranowanego lub zbrojonego ze względu na konieczność ograniczenia zaburzeń
elektromagnetycznych emitowanych do otoczenia. Uziemienie ekranu/zbrojenia kabla
silnikowego jest niezbędne dla ograniczenia emisji zaburzeń EMC. To uziemienie jest
jednocześnie przyczyną zwiększonych dodatkowych prądów doziemnych o wysokich
częstotliwościach. Ze względu na cechy modulacji MSI (ang. PWM) zawartość
wyŜszych harmonicznych w napięciu wyjściowym przemiennika zwiększa się przy
niskich częstotliwościach harmonicznej podstawowej prądu silnika, a więc przy małej
prędkości obrotowej silnika [1]. Taka sytuacja, przy stosowaniu zabezpieczeń
róŜnicowoprądowych moŜe spowodować wyłączenie instalacji napędowej z pracy, ze
względu na duŜą wartość prądu doziemnego w przewodzie ochronnym PE. Stosowane
wysokoczułych
wyłączników
róŜnicowoprądowych
(30mA)
jako
ochrony
uzupełniającej w tego typu instalacjach jest działaniem uniemoŜliwiającym jej
poprawną pracę. Nieuzasadnione wyłączenia zasilania napędów z przemiennikami
napięciowymi, które są powodowane jedynie wzrostem prądu upływu doziemnego w
normalnych warunkach pracy przemiennika, prowadzą do duŜych strat gospodarczych.
Stosowanie
przeciwporaŜeniowych
wyłączników
róŜnicowoprądowych,
niezaleŜnie od ich rodzaju (AC, A, B) jest niewłaściwe i niezasadne w instalacjach z
napięciowymi przemiennikami częstotliwości.
MoŜna rozwaŜać zasadność stosowania mniej czułego wyłącznika typu A czy B
dla zwiększenia skuteczności ochrony przeciwpoŜarowej, ale i to zastosowanie jest
dyskusyjne. Wyłączniki róŜnicowoprądowe są produkowane dla odbiorników o mocy
do ok. 50kW [2]. Często nie ma powodu stosować innego układu zasilania dla
napędów z przemiennikami do 50kW i innego powyŜej tej mocy. śadna DTR
producenta przemienników produkowanych w UE i oznaczonych znakiem CE nie
sugeruje
stosowania
w
ochronie
przeciwporaŜeniowej
wyłączników
-109-
róŜnicowoprądowych. W Polsce obowiązuje ta sama norma w zakresie ochrony
przeciwporaŜeniowej jak krajach UE, tj. PN-IEC60364.
W dalszej części opracowania autor przeprowadzi analizę cech przemiennika
częstotliwości istotnych dla zrozumienia zasady budowy układu zasilania z właściwą
ochroną dodatkową. Ochrona podstawowa zwykle nie budzi większych kontrowersji i
jest zapewniona przez zastosowanie odpowiednich osłon urządzeń i izolacji kabli.
6.2. PRĄDY I NAPIĘCIA NA WEJŚCIACH I WYJŚCIACH
MOCY PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO
W przemiennikach małych i średnich mocy stosowany jest wejściowy
mostkowy prostownik diodowy 3F6D obciąŜony znaczną pojemnością obwodu
pośredniego. Kształt odkształconej fali wejściowego prądu fazowego na tle sinusoidy
napięcia fazowego przedstawiono na rys. 6.2.
Rys.6.2. Typowy przebieg napi
ę
cia fazowego i pr
ą
du przewodowego na zasilaniu przemiennika
napi
ę
ciowego z prostownikiem 3F6D. U
dz
=200V, I
dz
= 5A, T
dz
=5ms, P
NPC
=2.2kW.
Przemiennik
napięciowy,
tak
jak
większość
odbiorników
energoelektronicznych, jest generatorem mocy odkształconej wprowadzanej do sieci
zasilania. Moc odkształcona wzrasta wraz z niedociąŜeniem przemiennika.
Zagadnienie to jest szczególnie istotne przy głębokiej regulacji silników napędów
pomp wirowych i wentylatorów. Ze względu na duŜe niedociąŜenie przemiennika, przy
pracy napędu poniŜej prędkości nominalnych, wzrasta moc odkształcona generowana
do sieci zasilania w stosunku do warunków pracy przy obciąŜeniu nominalnym,
powoduje to zwiększenie prądów upływu doziemnego. Dla ograniczenia wyŜszych
harmonicznych prądu niŜszych rzędów stosuje się zwykle dławiki ac, włączone na
wejściach prostownika lub dławiki dc włączone do wyjść stałonapięciowych
prostownika, rys. 6.3.
Rys.6.3. Wpływ dławików ac i dc prostownika na ograniczenie zawarto
ś
ci harmonicznych pr
ą
du
ni
Ŝ
szych rz
ę
dów zilustrowane warto
ś
ci
ą
współczynnika THDi [4].
-110-
Harmoniczne prądu wyŜszych rzędów przenoszą mniejszą energię mocy
odkształconej i ich negatywny wpływ na sieć zasilania ograniczany jest
wejściowymi filtrami radioelektrycznymi typu LC.
Wyjścia mocy przemienników wskutek cyfrowego przełączania napięcia
z duŜą częstotliwością, rzędu kilku kHz, powodują występowanie prądów
pojemnościowych międzyprzewodowych i doziemnych tak w kablu
silnikowym jak i samym silniku, rys. 6.4.
Rys.6.4. Napi
ę
cie mi
ę
dzyfazowe i pr
ą
d wyj
ś
ciowy przemiennika obci
ąŜ
onego silnikiem
klatkowym.T
dz
=5ms. U
dz
=200V, I
dz
=5A, f
h1
=40Hz, b). Napi
ę
cie mi
ę
dzyfazowe i pr
ą
d
wyj
ś
ciowy przemiennika obci
ąŜ
onego silnikiem klatkowym.T
dz
=0,1ms, U
dz
=200V,
I
dz
=5A, f
p
=4,0kHz, c) Napi
ę
cie fazowe i pr
ą
d wyj
ś
ciowy przemiennika obci
ąŜ
onego
silnikiem klatkowym. T
dz
=5ms. U
dz
=200V, I
dz
=5A, f
h1
=40Hz
Obwód pośredni zawierający duŜą pojemność akumulującą energię stanowi
dodatkowe źródło potencjalnego zagroŜenia poraŜeniowego, nawet przy
odłączonym od zasilania przemienniku. Czas rozładowywania się kondensatorów
obwodu pośredniego jest zaleŜny od mocy przemiennika i wzrasta wraz z jego
mocą osiągając czasy nawet do 20min. DTR przemiennika ściśle precyzuje ten czas
i wcześniejsze otwieranie obudowy urządzenia (usuwanie ochrony podstawowej)
jest niedopuszczalne ze względu niebezpieczeństwo poraŜenia.
NaleŜy zwrócić uwagę na niebezpieczeństwo jakie moŜe wystąpić np. przy
gaszeniu poŜaru silnika czy kabla silnikowego, gdyŜ przy uszkodzeniu tranzystora
IGBT i zatrzymanym silniku moŜe do czasu rozładowania baterii kondensatorów
przemiennika, utrzymywać się napięcie stałe między przewodami fazowymi kabla
silnikowego i kabla uziomu o wartości od ok. ½ U
DC
przemiennika.
6.3. PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI, A ZAGROśENIE
PORAśENIEM
Pomiar impedancji pętli zwarcia jest podstawowym pomiarem w ocenie
skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim w obwodach układu sieciowego TN z
zabezpieczeniami przetęŜeniowymi (samoczynne wyłączenie zasilania). Impedancja
pętli zwarciowej powinna mieć tak małą wartość, aby prąd zwarciowy płynący w pętli
zwarciowej
osiągnął
dostatecznie
duŜą
wartość
zapewniającą
zadziałanie
przetęŜeniowych urządzeń ochronnych w wymaganym krótkim czasie, np. 0,2s; 0,4s;
czy do 5s [5].
Przed przystąpieniem do wyboru zabezpieczenia przetęŜeniowego naleŜy
ustalić:
Maksymalny czas wyłączenia zasilania dla danego znamionowego napięcia
fazowego (w stosunku do ziemi) U
0
i dopuszczalnego długotrwałego napięcia dotyku
A
A)
B)
C)
-111-
U
L
(z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie
TN, wg normy PN-IEC60364).
Korzystając z charakterystyk czasowo prądowych i danych znamionowych
urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki nadmiarowo prądowe) ustalamy
wartość prądu I
a
powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w
czasie ustalonym w poprzednim punkcie.
Prądy wyłączalne wkładek topikowych odczytujemy z ich charakterystyk
pasmowych.
Mając na uwadze utrudnione odczytywanie wartości liczbowych z
charakterystyk t=f(i) przedstawianych w skali logarytmicznej, często podaje się je w
postaci tabelarycznej. W tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych podaje
się wartości maksymalnych prądów zadziałania (przepalenia) wkładek topikowych dla
czasów 0,2s; 0,4s; 5s.
MoŜna zastosować takŜe elektromagnetyczny wyłącznik nadmiarowo-prądowy,
np. typu S190 typ A (I
a
= 3I
n
). Przemiennik napięciowy od strony wejść zasilających
naleŜy traktować jako obciąŜenie rezystancyjne, dlatego i styczniki na wejściach
zasilania dobieramy wg charakteru obciąŜalności typu AC-1.
Prąd wyłączalny obliczany ze wzoru:
Korzystając z zaleŜności;
TN
a
s
I
U
Z
0
≤
[ 6.1 ]
gdzie: Z
s
- impedancja pętli zwarcia w [
Ω
], U
0
- napięcie znamionowe
względem ziemi w [V], I
a
- prąd powodujący samoczynne zadziałanie
urządzenia ochronnego w [A].
obliczamy dopuszczalną maksymalną wartość impedancji pętli zwarciowej,
gwarantującej samoczynne wyłączenie zasilania w danym czasie.
Dla przemiennika napięciowego naleŜy zastosować następującą regułę:
Pomiar impedancji pętli zwarcia poszczególnych faz dokonujemy na
zaciskach dołączonego do przemiennika silnika przy odpowiednio zwartych ze
sobą zaciskach wejściowych i wyjściowych przemiennika: L1-U, L2-V, L3-W.
Nie budzi tutaj wątpliwości zasada wyznaczania impedancji pętli zwarcia na
zaciskach zasilania przemiennika częstotliwości, dla potencjalnego zwarcia w punkcie
A i B, rys. 6.1. Dobranie wkładki topikowej na podstawie tego pomiaru gwarantuje
takŜe odpowiednio niskie napięcie dotykowe U
L
jeśli dojdzie do zwarcia doziemnego
w punkcie C, tj. na zaciskach miejscowo uziemionego silnika.
Dla zapewnienia stałej, niezaleŜnej od otoczenia, wartości impedancji pętli
zwarcia o odpowiednio malej wartości, silnik z przemiennikiem łączy się przewodem
ochronnym.
-112-
Gdy nie ma uziemienia silnika w miejscu jego zainstalowania, wtedy
podstawową rolę odgrywa wartość impedancji przewodu ochronnego na odcinku
pomiędzy miejscem uziemienia instalacji zasilania a silnikiem. Zbyt mały przekrój
przewodu ochronnego moŜe spowodować przekroczenie wartości bezpiecznej napięcia
dotykowego U
L
. Zalecenie zwiększenia o rząd większego przekroju Ŝyły ochronnej PE,
niŜ to wynika z normy PN-IEC60364 przypadkach, nawet gdy są długie kable
silnikowe i silnik nie jest miejscowo dołączony do uziemienia nie wydaje się być
uzasadnione.
Uziemienie występujące bezpośrednio w miejscu instalacji przemiennika
częstotliwości
jest
bardzo
korzystne
zarówno
pod
względem
ochrony
przeciwporaŜeniowej jak i tłumienia zakłóceń radioelektrycznych. Niestety taka
sytuacja w napędach z przemiennikami częstotliwości małych i średnich mocy
występuje rzadko, uziom w punkcie B wg rys. 6.5. Lokalizacja przemienników w
rozdzielni elektrycznej wydaje się być najkorzystniejsza, zarówno ze względu na
dostęp do instalacji uziemienia jak i ograniczenie dostępu do przemienników przez
osoby bez odpowiednich kwalifikacji elektrycznych.
napi
ę
ciowy przemiennik
cz
ę
stotliwo
ś
ci
zasilanie
3x400V/50Hz
M
SILNIK AC
PE
A
B
C
AC/DC
DC/AC
R
PE
R
L
kabel silnikowy
BM
L1
U
Rys.6.5. Uziemianie ochronne nap
ę
du z napi
ę
ciowym przemiennikiem cz
ę
stotliwo
ś
ci w sieci
TN-S.
Dla zapewnienia odpowiednio krótkiego czasu zadziałania bezpiecznika zaleca
się stosowanie bezpieczników szybkach typu gR, na zasilaniu przemiennika. Przy
wewnętrznym zwarciu doziemnym przemiennika, w punkcie B wg rys. 6.1, następuje
przepływ prądu zwarciowego jednocześnie z dwóch źródeł: prostownika i baterii
kondensatorów – prąd DC. Następuje gwałtowne rozładowywanie baterii
kondensatorów. To powoduje przepływ prądu jej doładowania o zwiększonej
amplitudzie z prostownika, a w konsekwencji odpowiednio szybkie przepalenie
bezpiecznika BM. Ograniczenie prądu zwarciowego poprzez zastosowanie
bezpiecznika szybkiego do wartości ok. 5-6I
N
przemiennika moŜe znacznie ograniczyć
termiczne skutki zwarcia i wpłynąć na zmniejszenie kosztów naprawy.
Cyfrowe przełączanie napięcia wyjściowego przemiennika z częstotliwością
kilku kiloherców powoduje powstawanie pojemnościowych prądów upływu. Głównie
prądy upływu pomiędzy przewodami fazowymi zasilania silnika a przewodem
ochronnym
uniemoŜliwiają
stosowanie
przeciwporaŜeniowych
wyłączników
ochronnych. W przypadku stosowania kabla silnikowego ekranowego lub zbrojonego
dla ograniczenia emisji zaburzeń EM, następuje zwiększony przepływ prądu upływu
do uziemionego ekranu lub zbrojenia kabla. Ekran kabla silnikowego naleŜy
-113-
jednostronnie dołączyć do uziomu przy przemienniku częstotliwości. Takie połączenie
z uziomem powoduje ograniczenie rozprzestrzeniania się zaburzeń od prądu upływu o
wyŜszych częstotliwościach, w szczególności o częstotliwościach radiowych, rys. 6.6.
napi
ę
ciowy przemiennik
cz
ę
stotliwo
ś
ci
zasilanie
3x400V/50Hz
M
SILNIK AC
PE
AC/DC
DC/AC
Z
I
kabel silnikowy
L1
U
Z
PE1
Rys.6.6. Obwód
przepływu
zaburze
ń
wysokocz
ę
stotliwo
ś
ciowych
przy
jednostronnym
doł
ą
czeniu
ekranu/zbrojenia
kabla
silnikowego
do uziomu przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci.
Dwustronne uziemienie ekranu kabla silnikowego moŜe spowodować
wzrost zaburzeń radiowych wprowadzanych do otoczenia wskutek przepływu
tych prądów do przemiennika przez bliŜej nieokreśloną drogę między
uziomami silnika i sieci zasilania lub przemiennika, rys. 6.5. Szczególnie przy
długich kablach silnikowych, gdzie impedancja wysokoczęstotliwościowa
ekranu
ma
relatywnie
duŜą
wartość.
Zachowanie
się
wysokoczęstotliwościowego prądu upływu ma charakter przepływu zbliŜony
do prądów błądzących. Jego wartość oraz wprowadzane do okolicznych
urządzeń zaburzenia mocno zaleŜą od warunków otoczenia. Bywa, Ŝe
instalacja pracuje prawidłowo, a w innym razem następują zjawiska
powodujące zadziałanie wyłączników róŜnicowo prądowych innych
okolicznych urządzeń bez wyraźnego powodu. Takie zdarzenia świadczą o
konieczności prześledzenia uziemień ekranów kabli silnikowych, silników i
przemienników napięciowych.
Przy uziemieniu silnika jedynie poprzez uziom przy przemienniku
dwustronne dołączenie ekranu kabla silnikowego jest korzystne i powoduje
duŜe zmniejszenie emisji zaburzeń radiowych do otoczenia, efekt klatki
Faraday’a, rys. 6.7.
-114-
Rys.6.7. Obwód przepływu zaburze
ń
wysokocz
ę
stotliwo
ś
ciowych przy dwustronnym doł
ą
czeniu
ekranu lub zbrojenia kabla silnikowego do uziomu przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci i silnika.
NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe prąd upływu występujący w ekranie/zbrojeniu kabli
silnikowych nie będzie przepływać przez uziom transformatora zasilania jeśli
przemiennik napięciowy będzie miał własny uziom. Przez uziom transformatora będzie
przepływać prąd upływu wejściowych filtrów radioelektrycznych przemiennika.
Aby ograniczyć prąd upływu doziemnego pochodzący od kabli silnikowych i
silnika
naleŜy
rozwaŜyć
moŜliwość
zastosowania
dławików
wyjściowych
przemiennika ograniczających stromość narastania prostokątnego (cyfrowego) napięcia
w kablu i na zaciskach silnika. MoŜna takŜe zastosować wyjściowe filtry LC, które
zapewniają praktycznie sinusoidalne napięcie zasilania silnika. Stosowanie dławików
wyjściowych lub filtrów LC wiąŜe się jednak z innymi niepoŜądanymi skutkami:
znacznym poziomem szumu akustycznego w miejscu ich instalacji oraz zmniejszeniem
dynamiki pracy silnika.
MoŜna przyjąć regułę, Ŝe w napędach o krótkich kablach silnikowych naleŜy
dwustronnie łączyć ekran/zbrojenie kabla silnikowego, odpowiednio do uziomu silnika
i przemiennika. Przy dłuŜszych długościach kabli silnikowych naleŜy rozwaŜyć
moŜliwość jednostronnego podłączenia ekranu/zbrojenia kabla silnikowego tylko do
uziomu przemiennika.
Pomiar impedancji pętli zwarcia na zaciskach silnika ma podstawowe znaczenie
dla doboru maksymalnej wartości i rodzaju wkładki bezpiecznikowej. Zapewnienie
odpowiedniego napięcia dotykowego (24Vac – silnik w przestrzeni otwartej,
zawilgoconej lub 50Vac – silnik w przestrzeni zamkniętej, zadaszonej i suchej) przy
zwarciu doziemnym musi być tu bezwzględnie przestrzegane.
W normalnych warunkach pracy przemiennik częstotliwości sam ogranicza
wartość prądu zwarcia doziemnego, co nie spowoduje wystąpienia zjawisk
niebezpiecznych dla człowieka. Przy pełno zwarciowym prądzie doziemnym następuję
bardzo szybkie, w czasie mniejszym od 0.1s, zablokowanie półprzewodnikowych
zaworów falownika, tj. wyjściowego obwodu mocy przemiennika. UniemoŜliwia to
dalszy przepływ prądu zwarciowego. Brak szybkiego ustąpienia zwarcia spowoduje
zatrzymanie pracy przemiennika i tym samym silnik nie będzie zasilany [7].
Przy niepełnym zwarciu doziemnym przemiennik częstotliwości ogranicza
jednakowo prąd wyjściowy wszystkich faz do wartości skutecznej poniŜej wartości
nominalnej prądu silnika. Wielkość tego ograniczenia jest tym większa im mniejsza
-115-
jest impedancja pomiędzy doziemionym przewodem fazowym, a przewodem
ochronnym.
Przemiennik zachowuje się tak jak źródło zasilania o duŜej impedancji
wewnętrznej uniemoŜliwiającej przepływ prądu zwarciowego o wartości większej niŜ
2I
N
. Ograniczenie to wynika głównie z wartości prądów maksymalnych zastosowanych
półprzewodnikowych zaworów mocy falownika (np. tranzystorów IGBT) oraz
zastosowanej szybkiej wkładki bezpiecznikowej na zasilaniu przemiennika.
W awaryjnym stanie pracy przemiennika napięciowego moŜe nie nastąpić
zablokowanie półprzewodnikowych zaworów falownika. W takiej sytuacji przy
zaistnieniu zwarcia w punkcie C, rys. 6.1, będzie płynął prąd doziemny, stały lub
pulsujący modulowany jednopołówkowo. Jeśli uszkodzenie przemiennika nie będzie
krytyczne to nie nastąpi przepływ prądu zwarciowego o wartości powodującej
przepalenie się bezpieczników zainstalowanych na zasilaniu przemiennika.
Przepływający prąd doziemny nie moŜe teŜ spowodować wzrostu napięcia
dotykowego do wartości niebezpiecznej, a maksymalna jego wartość ulega szybko
obniŜeniu od wartości wyznaczonej z równania:
TN
I
ZW Max
=1/2x1000V : Z
ZW PR
<
2I
N
[6.2]
I
ZW Max
– Maksymalny prąd zwarcia, wynikający z maksymalnego napięcia
baterii kondensatorów obwodu DC przemiennika (ok. 1000V dla sieci 3x380-500V).
Napięcie to moŜe osiągnąć wartość 1000V tylko w czasie hamowania silnika, gdy silnik
pracując generatorowo przekształca energię hamowania na energię elektryczną i jest
ona gromadzona w baterii kondensatorów przemiennika.
Z
ZW PR
– Impedancja zwarciowa pomiędzy dodatnim lub ujemnym zaciskiem
baterii kondensatorów przemiennika, poprzez miejsce zwarcia doziemnego, np.
uziemiona obudowa silnika, nie powodująca przepływu prądu zwarciowego o wartości
powodującej zadziałanie bezpieczników na zasilaniu przemiennika tj. o wartości I
a
=
2I
N
.
6.4. SYMULOWANIE NA STANOWISKU LABORATORYJNYM
AWARYJNYCH
STANÓW
PRACY
PRZEMIENNIKA
NAPIECIOWEGO W UKŁADZIE NAPĘDOWYM.
PoniŜej przedstawiano:
1. Schemat elektryczny do symulowania awaryjnych stanów pracy
przemiennika napięciowego w układzie napędowym, rys. 6.8.
2. Widok pełnego stanowiska do symulacji zwarć w zewnętrznej instalacji
elektrycznej układu napędowego z napięciowym przemiennikiem częstotliwości i
podstawową aparaturą badawczą, rys 6.9
3. Przykładowe zapisy wyników symulacji, w programie komputerowym
SMPLORER, przebiegu napięcia między przewodem ochronnym, a szeregowo
połączonymi kondensatorami. Napięcie VM3 jest przebiegiem trójkątnym o
częstotliwości 3f
s
(150Hz), rys. 6.10 i rys. 6.11.
-116-
Rys.6.8. Symulowanie stanów awaryjnych pracy przemiennika napi
ę
ciowego w układzie
nap
ę
dowym.
Rys.6.9. Wygl
ą
d stanowiska laboratoryjnego bada
ń
zwar
ć
w zewn
ę
trznej instalacji elektrycznej
napi
ę
ciowego przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci.
-117-
D1
D2
D3
D4
t
ET1
Sine1
Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE
Sine1
f := 50
am := 325
ph := 0
EXP1
Is := 1E-12
Ut := 35m
Rr := 100k
Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii
3f6d_RLC_020204b.ssh
C2
1m
D5
D6
R2
R := 10
t
ET2
Sine2
Sine2
ph := 120
f := 50
am := 325
Sine3
ph := 240
f := 50
am := 325
+
V
VM2
U"R2"
VM1
VM3
T
1000.0
-400.0
0
-200.0
200.0
400.0
600.0
800.0
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
Tue Feb 03 2004 09:35
L1
L := 100u
L2
L := 100u
L3
L := 100u
t
ET3
Sine3
L4
L := 1m
L5
L := 1m
+
V
VM1
Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20 om, 10 om.
Moc obciazenia wynosi odpowiednio (P=Udc x Idc) 12,5kW, 25kW i 50kW.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 0.5mH, 1mH lub 1.5 mH.
Wykres A:
Przebieg pradu i napiecia AC fazy L1
oraz napicia VM3.
C1
1m
+
V
VM3
R1
R := 1k
Zmiany obciazenia R2 i wartosci indukcyjnosci L4 i L5
nie maja istotnego wplywu na przebieg napiecia VM3.
Rys.6.10. Symulacja prostownika 3F6D – wyznaczenie napi
ę
cia na VM3, tj. mi
ę
dzy PE i połow
ą
napi
ę
cia baterii kondensatorów obwodu po
ś
redniego przemiennika napi
ę
ciowgo.
-118-
D1
D2
D3
D4
U"R2"
VM3
U"R1"
T
1000.0
-200.0
0
200.0
400.0
600.0
800.0
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
t
ET1
Sine1
Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE
Sine1
f := 50
am := 325
ph := 0
EXP1
Is := 1E-12
Ut := 35m
Rr := 100k
Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii
3f6d_RLC_020204d.ssh
®
Wlasnosci symulacji:
Max. szerokosc kroku1m
Min. szerokosc kroku10u
Czas konca symulacji100m
C2
1m
D5
D6
R2
R := 20
t
ET2
Sine2
Sine2
ph := 120
f := 50
am := 325
Sine3
ph := 240
f := 50
am := 325
+
V
VM2
VM1
VM3
U"R1"
VM4
T
500.0
-500.0
0
-400.0
-200.0
200.0
400.0
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
Tue Feb 03 2004 10:22
L1
L := 100u
L2
L := 100u
L3
L := 100u
t
ET3
Sine3
L4
L := 1m
L5
L := 1m
+
V
VM1
Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20 om, 10 om.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 0.5mH, 1mH lub 1.5 mH.
Wykres A:
Przebieg napiecia AC fazy L1
oraz napic VM2 oraz VM3 i VM4.
Wykres B:
Przebiegi
napiecia UR1, UR2
oraz napiecia VM3.
L4 i L5 oraz R2, nie maja
wplywu na ograniczenie
napiecia VM3.
C1
1m
+
V
VM3
R1
R := 1k
+
V
VM4
Rys.6.11. Symulacja prostownika 3F6D – interpretacja powstawania napi
ę
cia pomi
ę
dzy
potencjałem uziomu (potencjał przewodu PE), a napi
ę
ciem punktu neutralnego silnika
zasilanego z przemiennika.
-119-
6.5. PRZEBIEG BADAŃ SYMULACJNYCH
Z uwagi na ograniczoną ilość elementów, ze względu na fakt, Ŝe
dostępna wersja oprogramowania jest wersją demo, tab. 6.1, nie moŜliwa była
symulacja pełnego układu przemiennika. Układ został ograniczony do następujących
elementów:
Sieć zasilająca,
Prostownik 3f 6D,
Układ pośredni DC,
Odbiornik R.
Tab.6.1. Maksymalna liczba elementów i funkcji dost
ę
pnych w ró
Ŝ
nych wersjach
oprogramowania Simplorer 4.2 [17].
Posługując się oknem dialogowym, i korzystając z elementów umieszczonych
w bibliotece programu, stworzyłem, w edytorze graficznym, schemat układu, który
poddałem badaniom. Wyniki badań symulacyjnych współpracy prostownika 3f6d dla
róŜnych obciąŜeń i parametrów sieci zasilania przedstawiono na rys. 6.12 i rys. 6.13.
Dostępna jest obecnie wersja SIMPLORER SV 7.0 i zapewnia ona znacznie
szersze moŜliwości badań symulacyjnych niŜ stosowana w pierwszej fazie badań
wersja SIMPLORER 4.2 EDU. W zakładzie dostępna jest 1 licencja pełnej wersji
programu SIMPLORER 4.2.
-120-
D1
D2
D3
D4
I"L1"
T
80.00
-80.00
0
-60.00
-40.00
-20.00
20.00
40.00
60.00
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
t
ET1
Sine1
Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE
Sine1
f := 50
am := 325
ph := 0
EXP1
Is := 1E-12
Ut := 35m
Rr := 100k
Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii
3f6d_RLC_020204.ssh
®
Wlasnosci symulacji:
Max. szerokosc kroku1m
Min. szerokosc kroku10u
Czas konca symulacji100m
C1
0.5m
D5
D6
R2
R := 20
t
ET2
Sine2
Sine2
ph := 120
f := 50
am := 325
Sine3
ph := 240
f := 50
am := 325
+
V
VM2
U"R2"
VM1
I"L1"
T
1000.0
-400.0
0
-200.0
200.0
400.0
600.0
800.0
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
Tue Feb 03 2004 09:58
L1
L := 100u
L2
L := 100u
L3
L := 100u
t
ET3
Sine3
L4
L := 100u
L5
L := 100u
+
V
VM1
Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20 om, 10 om.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 50uH, 100uH lub 200 uH.
Wykres A:
Przebieg pradu i napiecia AC fazy L1
oraz napicia DC na C1.
Wykres B:
Wyodrebniony przebieg
nieliniowego pradu fazy L1
przy braku indukcyjnosci AC
lub DC prostownika.
L=100uF, nie ma istotnego
wplywu na przebieg pradu zasilania.
Rys.6.12. Symulacja oddziaływania na sie
ć
zasilania prostownika 3F6D jako nieliniowego
odbiornika energii z pomijalnie mał
ą
warto
ś
ci
ą
Lac i Ldc.
-121-
D1
D2
D3
D4
I"L1"
I"L2"
T
50.0
-250.0
0
-200.0
-150.0
-100.0
-50.0
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
t
ET1
Sine1
Polaczenia dla symulacji wplywu prostownika 3f6d w obwodzie
mocy przemiennika czestotliwosci na siec zasilania
Dr inz. Jerzy Szymanski, PR-WT-ZMiUE
Sine1
f := 50
am := 325
ph := 0
EXP1
Is := 1E-12
Ut := 35m
Rr := 100k
Symulacja prostownika 3f6d jako nieliniowego odbiornika energii
3f6d_RLC_020204a.ssh
®
Wlasnosci symulacji:
Max. szerokosc kroku1m
Min. szerokosc kroku10u
Czas konca symulacji100m
C2
1m
D5
D6
R2
R := 20
t
ET2
Sine2
Sine2
ph := 120
f := 50
am := 325
Sine3
ph := 240
f := 50
am := 325
+
V
VM2
VM1
I"L1"
T
400.0
-400.0
0
-300.0
-200.0
-100.0
100.0
200.0
300.0
0
100.00m
20.00m
40.00m
60.00m
80.00m
Tue Feb 03 2004 09:50
L1
L := 100u
L2
L := 100u
L3
L := 100u
t
ET3
Sine3
L4
L := 1m
L5
L := 1m
+
V
VM1
Zmiany obciazenia: 50%, 100%, 200%, co znaczy 40 om, 20om, 10 om.
Podobnie postapic dla zmian L4, L5 = 0.5mH, 1mH lub 1.5 mH.
Wykres A:
Przebieg napiecia AC fazy L1
oraz napicia DC na C1.
Wykres B:
Wyodrebniony przebieg
nieliniowego pradu fazy L1 i L2
przy wystepowaniu
indukcyjnosci AC
lub DC prostownika.
L=1mF, ma istotny wplyw
na ograniczenie harmonicznych
w pradzie zasilania.
C1
1m
+
V
VM3
R1
R := 1k
Rys.6.13. Symulacja oddziaływania na sie
ć
zasilania prostownika 3F6D jako nieliniowego
odbiornika energii ze znacz
ą
c
ą
warto
ś
ci
ą
Lac i Ldc
-122-
6.6. WNIOSKI Z SYMULACJI PRACY PROSTOWNIKA 3F6D
JAKO
OBWODU
WEJŚCIOWEGO
PRZEMIENNIKA
NAPIĘCIOWEGO
•
indukcyjność sieci zasilania korzystnie wpływa na ograniczenie mocy
odkształconej,
•
waŜne jest sztuczne powiększanie indukcyjności wejściowej przemiennika
napięciowego z jednoczesnym uwzględnieniem faktu, Ŝe następuje zwiększenie
niekorzystnego udziału mocy biernej w sieci zasilania,
•
analiza pracy przekształtników energoelektronicznych przy uŜyciu programu
symulacyjnego SIMPLORER pozwala na relatywnie szybkie uzyskania
wyników opisujących jakościowo analizowane zjawiska
•
niezbędna jest weryfikacja eksperymentalna otrzymanych na drodze
symulacyjnej wyników, głównie dla weryfikacji poprawności przyjętych
załoŜeń i danych.
6.7. LITERATURA DO ROZDZIAŁU
[ 1]. E. Mitew, J. Szymański: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem.
IV krajowa Konferencja Naukowa – SENE – Łódź 1999
[ 2]. R. Pastuszka, M Trajdos: Jakie kable lubią falowniki? Materiały techniczne – HELUKABEL 2003 –
www.helukabel.pl
[ 3]. A. Białas, Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. F. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne,
opublikowane w miesięczniku Elektrosystemy, 2002.
[ 4] S. Hansen i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives, Danfoss
Drives A/S - 2002 E-mail:
s_hansen@danfoss.com
[ 5] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.
(Wyszukiwanie norm:
http://www.pkn.com.pl
)
[ 7] J. Szymański: Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic
częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny 2/2000.
[ 8] A. Michalski, F. Szczucki i inni, Ochrona przeciwporaŜeniowa przed dotykiem pośrednim w układach
energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne.
7. BEZPIECZEŃSTWO
UśYTKOWANIA
INSTALACJI
PRZEMYSŁOWYCH Z NAPIĘCIOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZĘSTOTLIWOŚCI W SIECIACH TN - S
Ochrona przeciwporaŜeniowa to techniczne i organizacyjne środki
zapewnienia bezpieczeństwa uŜytkownika. Zapobieganie występowaniu zwarć do
obudów przemienników częstotliwości i połączonych z nimi maszyn roboczych ma
podstawowe
znaczenie
dla
bezpiecznej
eksploatacji.
Stosowanie
reguł
instalacyjnych właściwych dla tego rodzaju przekształtników prowadzi do
zapobiegania zagroŜeniom. Przede wszystkim naleŜy stosować się do zaleceń i
wymagań zawartych w dokumentacji technicznej urządzenia DTR, które obecnie
musi mieć znak CE.
-123-
7.1. NAPIĘCIOWY
PRZEMIENNIK
CZĘSTOTLIWOŚCI
I SIEĆ TN-S
Napięciowe przemienniki częstotliwości są obecnie powszechnie stosowane w
napędach z regulowaną prędkością obrotową trójfazowych silników indukcyjnych.
Głównie są to silniki klatkowe. Obszar zastosowań przemienników napięciowych
gwałtownie się powiększa. Coraz częściej pojawiają się aplikacje przemysłowe z
bezszczotkowymi silnikami prądu stałego z magnesami stałymi, które zasila się
przemiennikami napięciowymi [1]. Obserwujemy szybko rosnącą sprzedaŜ tych
urządzeń, przy jednoczesnym coraz większym zaawansowaniu technologicznym.
Rozbudowywane są ich funkcje komunikacyjne, zabezpieczeń i sterowania.
Postępująca
miniaturyzacja
elektronicznych
układów
sterowania
umoŜliwia
praktycznie dowolne kształtowanie cech uŜytkowych tych przekształtników. Często
przejmują one rolę zewnętrznych sterowników PLC. Obwód mocy teŜ podlega
ciągłym modyfikacjom. Głównie ze względu na rozwój technologii wytwarzania
falowników z tranzystorami IGBT. W aplikacjach z niskonapięciowymi
przemiennikami częstotliwości sterowane silniki osiągają juŜ moce rzędu 1,5MW.
Przemienniki stosowane są powszechnie zarówno w sieciach zasilania typu TN–S, jak i
sieciach IT. W sieciach IT ochrona przeciwporaŜeniowa jest realizowana inaczej niŜ w
sieciach TN-S. ZagroŜenia eksploatacyjne występujące w sieciach IT są często inne niŜ
w sieciach TN-S, dlatego nie moŜna bezkrytycznie stosować tam zasad właściwych dla
sieci TN-S. W niniejszej publikacji odnoszę się do zagadnień ochrony
przeciwporaŜeniowej w napędowych instalacjach przemysłowych z napięciowymi
przemiennikami częstotliwości zasilanych sieciami niskonapięciowymi typu TN-S.
7.2. BEZPIECZNA INSTALACJA ELEKTRYCZNA
Zagadnienia
bezpieczeństwa
uŜytkowania
przemiennika
i
ochrony
przeciwporaŜeniowej moŜna podzielić na trzy grupy: dotyczące producenta
napięciowego przemiennika częstotliwości, projektanta instalacji napędowej z
napięciowym przemiennikem częstotliwości i uŜytkownika tej instalacji.
Warunki techniczne jakie naleŜy spełnić przy budowie przemiennika częstotliwości
i zewnętrznej instalacji zasilania w zakresie ochrony przed poraŜeniem określone są
normą obowiązkowego stosowania PN-IEC 60364. Jest to bardzo obszerny dokument i
dotyczy wielu zagadnień skoordynowanego postępowania dla zapewnienia
bezpiecznego uŜytkowania urządzeń elektrycznych. Zagadnienia ochrony od poraŜeń
omawia jego część PN-IEC 60364.4.41, pt.: „Instalacje elektryczne w obiektach
budowlanych.
Ochrona
dla
zapewnienia
bezpieczeństwa.
Ochrona
przeciwporaŜeniowa”. Inne części tej normy omawiają ochronę dla zapewnienia
bezpieczeństwa
przed
skutkami
oddziaływania
cieplnego,
przed
prądem
przetęŜenowym, obniŜeniem napięcia i przepięciami. W 2003 roku opublikowano
normę EN 50178 pt.: Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach duŜej
mocy”. Napięciowe przemienniki częstotliwości naleŜy traktować jako elektroniczne
odbiorniki energii elektrycznej do stosowania w instalacjach duŜej mocy, rys. 7.1.
-124-
Cechy
charakterystyczne
istotnie
wyróŜniające
napięciowe
przemienniki
częstotliwości od innych typowych odbiorników energii, takich jak silniki indukcyjne
zasilane bezpośrednio z sieci, i wpływających na zapewnienie bezpieczeństwa to:
- duŜy ładunek elektryczny zmagazynowany w baterii kondensatorów obwodu
pośredniego proporcjonalny do mocy nominalnej przemiennika,
- podatność na uszkodzenia elementów elektronicznych i energoelektronicznych
przemiennika przy pracy w niewłaściwych warunkach zasilania i chłodzenia,
- duŜe odległości między przemiennikiem częstotliwości i sterowanym silnikiem,
osiągające kilkusetmetrowe długości.
Rys.7.1. Schemat blokowy układu mocy napi
ę
ciowego przemiennika z silnikiem. A, B – miejsca
zwar
ć
doziemnych w zewn
ę
trznej instalacji zasilania – układ sieci typu TN-S.
Napięciowy przemiennik częstotliwości powoduje, często trudne do usunięcia
zaburzenia w sieci zasilania i otoczeniu. Mogą one zakłócić właściwą pracę
znajdujących się w pobliŜu innych urządzeń elektronicznych. Podwójna przemiana
energii
w
trójczłonowym
obwodzie
mocy
przemiennika:
AC/AC=AC/DC+DC/DC+DC/AC, powoduje, Ŝe ma on inne własności na wejściach i
wyjściach mocy.
7.3. CYFROWE PRZETWARZANIE MOCY A ZAPEWNIENIE
BEZPIECZEŃSTWA
Wejścia mocy przemiennika napięciowego dołączone są do sieci zasilania, a
pojemnościowe obciąŜenie wejściowego prostownika diodowego 3f6d powoduje, Ŝe
pobierany z sieci prąd ma charakter impulsowy. Dopasowane do mocy nominalnej
zasilanego silnika, przemysłowe przemienniki napięciowe powodują najmniejsze
odkształcenia prądu zasilania. Przy nominalnym obciąŜeniu silnika odkształcenie prądu
sieci określone współczynnikiem harmonicznych THDi, wynosi zwykle ok. 40%. Jeśli
dobiera się przemiennik aby dopuszczalne było krótkotrwałe jego przeciąŜenie
momentem ok. 150%M
n
, to w warunkach nominalnego obciąŜenia przemiennika THDi
wynosi zwykle ok.120%. Przemiennikowe napędy pompowo-wentylacyjne najczęściej
pracują przy silnym niedociąŜeniu, dlatego w tym przypadku THDi prądu zasilania
takŜe wynosi 120%.[2,3]. Ze względu na niesinusoidalny prąd wejściowy
przemiennika klasyfikujemy go jako nieliniowy odbiornik energii, rys. 7.2.
M
SILNIK AC
Stopie
ń
po
ś
redni
Prostownik
3x400V
B
A
PE
RFI
-125-
A.
B
Rys.7.2. Przebiegi napi
ęć
i pr
ą
dów w NPC:A. Napi
ę
cie i pr
ą
d fazowy zasilania NPC, B. Napi
ę
cie
i pr
ą
d fazowy silnika zasilanego z NPC.
Często stosowane wyłączniki nadprądowe jako środki ochrony dodatkowej nie
powinny być tutaj wykorzystane. Bezzwłoczne zadziałanie wyłącznika nadprądowego
powoduje amplituda impulsu prądowego. Dla wyłącznika klasy B jego zadziałanie
nastąpi przy prądzie (3-5)I
n
. Zalecane do stosowania wkładki bezpiecznikowe typu gR
są tak dobierane, aby ich zadziałanie, po dopuszczalnym czasie t
r
(np. 0.4s), nastąpiło
przy przepływie prądu ok. 2I
n
. Zbyt duŜy prąd powodujący przepalenie wkładki
bezpiecznikowej moŜe spowodować znaczne uszkodzenia wewnątrz przemiennika i
jego zapalenie. Pomiar impedancji pętli zwarcia na zasilaniu przemiennika
częstotliwości określa zdolność zadziałania wkładki bezpiecznikowej jako środka
dodatkowej ochrony przeciwporaŜeniowej, ale nawet odpowiednio mała jej wartość nie
usprawiedliwia stosowania wkładek zwłocznych.
Wyjścia mocy przemiennika częstotliwości to wyjścia trójfazowego falownika
dołączone zwykle bezpośrednio do silnika. Wyjściowe napięcie fazowe ma tutaj kształt
przebiegu impulsowego. Częstotliwość impulsów tego napięcia zaleŜy od
częstotliwości przełączania tranzystorów IGBT falownika i osiąga w przemysłowych
przemiennikach napędowych wartości do 5kHz. Zmieniające się widmo wyŜszych
harmonicznych w wyjściowym napięciu fazowym, wraz ze zwiększaniem się
częstotliwości harmonicznej podstawowej, nie powoduje istotnych zmian wartości
prądów upływu pojemnościowego między przewodami fazowymi silnika a
uziemionymi elementami instalacji. Dla zwiększenia sprawności silnika nowoczesne
przemienniki napięciowe mogą mieć uaktywnione funkcje uzaleŜniające wartość
napięcia zasilania silnika od jego chwilowego obciąŜenia. W takich przypadkach
widmo fazowego napięcia wyjściowego zaleŜy teŜ od obciąŜenia silnika, nie wpływa
to jednak znacząco na prądy upływu. Wartość prądów upływu mocno zaleŜy od
wartości napięcia zasilania przemiennika i częstotliwości przełączania tranzystorów
IGBT falownika.
Dla ograniczenia zewnętrznej emisji zaburzeń EM stosuje się
ekranowane kable silnikowe, czasem zamiast kabli ekranowanych filtry wyjściowe LC.
Przewód ochronny PE jest umieszczony wewnątrz ekranu kabla i zwykle ekran jest
dwustronnie uziemiony razem z przewodem PE. Napięciowe przemienniki
częstotliwości i silniki są urządzeniami w obudowach spełniających wymagania I klasy
pr
ą
d
napi
ę
cie
pr
ą
d
napi
ę
cie
-126-
ochronności. Przy wystąpieniu niepełnego doziemienia napięcia zasilania silnika do
ekranu kabla silnikowego lub obudowy silnika moŜe nie nastąpić wyłączenie zasilania.
Zwykle wyłączenie napięcia jest uzaleŜnione od wartości prądu doziemnego i są to
wartości wielokrotnie większe od prądu 30mA. Układ zabezpieczenia doziemnego
napięciowego przemiennika częstotliwości pełni rolę zabezpieczenia przemiennika
przed uszkodzeniem i przeciwpoŜarowego, a nie przeciwporaŜeniowego [4]. NaleŜy
pamiętać, Ŝe przy elektronicznym wyłączeniu przemiennego napięcia zasilania silnika
przez przemiennik częstotliwości nie ma przerwy galwanicznej pomiędzy siecią
zasilania przemiennika a silnikiem. W tym torze występuje duŜa rezystancyjna
zablokowanych zaworów falownika.
Pełne doziemienie do obudowy silnika, które nie zostanie wyłączone przez
przemiennik, spowoduje uszkodzenie falownika lub zadziałanie wkładki
bezpiecznikowej juŜ przy przepływie prądu rzędu 2I
n
. Jeśli dochodzi do rozerwania
falownika to powstaje widoczna przerwa galwaniczna pomiędzy uszkodzonym
przemiennikiem i silnikiem (rys.7.3).
Rys.7.3. Rozerwany wskutek zwarcia falownik z modułem sterownika - 3x500A/1200V (SEMiX
703GD126HDc)
7.4. ZWARCIE DOZIEMNE SILNIKA – PĘTLA ZWARCIA
Pęta zwarcia przebiega tutaj przez szybki bezpiecznik, przewodzącą diodę
prostowniczą, przewodzący tranzystor IGBT, przewód ochronny i uziemiony punkt
transformatora zasilania przemiennika. W pętli zwarcia występują trzy szeregowo
połączone półprzewodnikowe elementy mocy. Wszystkie te elementy ulegają
rozwarciu przy przepaleniu prądami zwarciowymi o wartości ok. 2I
n
(rys. 7.4).
Jeśli silniki są dodatkowo uziemione w miejscu ich posadowienia, takie
uziemienie moŜna traktować jak połączenie wyrównawcze, zapobiegające wystąpieniu
napięcia dotykowego większego niŜ długotrwale bezpieczne.
Niekiedy w instalacji stosuje się styczniki, umieszczone na zasilaniu przez
bezpiecznikami, a takŜe na wyjściach mocy przemiennika. UmoŜliwiają one
zapewnienie galwanicznej przerwy między siecią zasilania i silnikiem np. dla
przeprowadzenia czynności naprawczych lub konserwacyjnych przemiennika.
Styczniki te naleŜy dobierać dla warunków pracy w klasie AC1.
-127-
Stosowanie
przeciwporaŜeniowych
wyłączników
róŜnicowoprądowych
praktycznie uniemoŜliwia poprawną pracę instalacji. Pojemnościowe prądy upływu w
takich instalacjach typowo mają wartości ok.100mA, a w instalacjach z silnikami
ś
rednich mocy mogą znacznie przekraczać wartości 500mA. Prądy te zaleŜą głównie
od rodzaju, długości i przekrojów kabli silnikowych, metody formowania wyjściowego
napięcia fazowego przemiennika. Napięcie to jest charakteryzowane: rodzajem
modulacji MSI, częstotliwością przełączania zaworów falownika f
p
, stromością
narastania impulsów napięciowych du/dt, jak równieŜ przepięciami powstającymi od
impulsów napięciowych.
C2
C1
R1
R2
T1
D1
T1
T1
T2
D2
T3
D3
T4
D4
T5
D5
T6
D6
Uz
U
V
W
+
-
2 x Ld
TN-S
L1,L2L,3
Napi
ę
ciowy Przemiennik Cz
ę
stotliwo
ść
i - MSI
Silnik
PE
Rys.7.4. Przebieg
p
ę
tli
zwarcia
przy
doziemnego
obudowy
silnika
w
instalacji
z napi
ę
ciowym przemiennikiem cz
ę
stotliwo
ś
ci.
7.5. INSTALACJA ELEKTRYCZNA ZGODNA Z EMC
Zjawiska zachodzące na wejściach i wyjściach mocy napięciowego
przemiennika częstotliwości naleŜy wziąć pod uwagę projektując instalacje zasilającą
napęd silnika i spełniającą dodatkowo wymagania EMC. Nie moŜna tu przenosić
postępowania typowego dla tradycyjnych liniowych odbiorników energii, dla których
budowa instalacji zasilającej nie powoduje większych trudności [5], rys. 7.5.
-128-
NPC
PLC
PLC itp.
Szafa przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci
Stycznik wyj
ś
ciowy itp.
Szyna uziomu
Usuni
ę
ta izolacja
kabla
Wszystkie kalbe wchodz
ą
z jednej strony
Min. 10mm
Kabel wyr..pot.
2
Kable steruj
ą
ce
L1
L2
L3
PE
Min. 10mm
2
Min. 200mm
mi
ę
dzy kablami steruj
ą
cymi,
kablem silnikowym i kablem zasilania
PE: min.10mm
2
2
Silnik
Kabel silnikowy
Rys.7.5. Instalacja elektryczna z przemiennikiem napi
ę
ciowym cz
ę
stotliwo
ś
ci wykonana zgodnie
z zasadami EMC.
7.6. ZNAK CE I OBOWIĄZEK PODANIA DOKŁADNYCH
ZASAD BUDOWY INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ W DTR
Obowiązkowa certyfikacja znakiem CE dopuszczonych do obrotu urządzeń
elektrycznych nakłada na producenta obowiązek wykonania urządzenia zgodnie z
zasadami zapewniającymi uŜytkownikowi bezpieczeństwo eksploatacyjne, w tym
takŜe zapewnienie właściwej ochrony przeciwporaŜeniowej. Zadeklarowane tym
znakiem jest spełnienie wymagań dyrektywy niskonapięciowej LVD dla urządzeń
zasilanych napięciami przemiennymi z drugiego zakresu napięć niskich, tj napięciami
fazowymi z przedziału: 50V
∠
Uf
∠
600V. Spełnienie dyrektywy niskonapięciowej
LVD obejmuje wszystkie rodzaje ryzyka wynikające z uŜytkowania przemiennika
częstotliwości, a więc takŜe cieplne, mechaniczne i chemiczne. Na producencie ciąŜy
takŜe wykonanie i dostarczenie przy wyrobie dokumentacji technicznej
precyzyjnie określającej warunki dołączenia przekształtnika do sieci zasilania i
silnika. DTR określa wartości i rodzaje zabezpieczeń odwodów wejściowych
przemiennika, przekroje rodzaje i długości kabli silnikowych oraz ich sposób
połączenia. Jeśli potrzebne informacje podane są niezrozumiale lub niejednoznacznie,
naleŜy w pierwszej kolejności zwrócić się o nie do producenta (dostawcy)
przemiennika częstotliwości. Niekiedy odstępstwa od DTR mogą prowadzić do
nieprzewidywalnych skutków ze zwiększeniem ryzyka poraŜeniowego włącznie.
Czasami wewnątrz zakładowe przepisy, stosowane zwyczajowo dla instalacji z
napędowych z silnikami zasilanymi bezpośrednio z sieci, przenosi się na instalacje
napędowe z przemiennikami napięciowymi, np. przewymiarowuje się przekroje
długich kabli silnikowych, co skutkuje głównie niekorzystnym powiększeniem prądów
upływu doziemnego i kosztu instalacji.
Znakowanie
CE
wyrobu
energoelektronicznego
wytwarzanego
przez
renomowanych producentów państw UE daje nam pewność, Ŝe zastosowane zostały
-129-
odpowiednie procedury produkcyjne, minimalizujące ryzyko zwarć doziemnych i
innych ryzyk przy powstaniu awarii wewnętrznych przemiennika, dzięki temu nie
musimy zastanawiać się nad procedurami zabezpieczającymi poprawną pracę
urządzenia. Projektant (instalator) ma obowiązek stosować się przy budowie instalacji
zasilania postanowień w tym zakresie zawartych w DTR. Odstępowanie od tych zasad
moŜe nastąpić jedynie w uzgodnieniu z producentem (dostawcą) przemiennika.
Zwykle wewnętrzne układy zasilania obwodów sterownia przemiennika spełniają
wymagania bezpieczeństwa PELV. Przy niewłaściwej instalacji zasilania przemiennika
moŜna nie zachować poziomu bezpieczeństwa PELV tych obwodów.
UŜytkownik moŜe bezpiecznie eksploatować instalację z przemysłowymi
przemiennikami napięciowymi jeśli postępuje zgodnie z ogólnie obowiązującymi
zaleceniami przy pracach z urządzeniami elektrycznymi. Nie dopuszczalne jest
dołączanie obwodów mocy przemiennika do sieci zasilania przy otwartej lub usuniętej
obudowie zewnętrznej, tj. osłabieniu lub usunięciu ochrony podstawowej urządzenia.
Stosowane procedury budowy instalacji napędowych wydają się w sposób właściwy
zapewniać ochronę przed poraŜeniem, gdyŜ mimo gwałtownego wzrostu ilości
przemienników napięciowych w instalacjach napędowych, wg wiedzy autora, nie
znane są tu przypadki powaŜnych poraŜeń odnotowanych jako wypadki przy pracy.
7.7. LITERATURA DO ROZDZIAŁU
[1]. Z. Goryca: Niskonapięciowy wolnoobrotowy napęd z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego.
Napędy i Sterowanie, Nr 7/8,2006
[2]. J. Szymański: Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników
częstotliwości. Politechnika Radomska, Prace Naukowe Elektryka nr 2(8),2005
[3]. J. Szymański: Ochrona przeciwporaŜeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami
częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV. Komel’2004 – XIII Seminarium Techniczne. Problemy
Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych. 19-21.V.2004, Ustroń.
[4]. J. Szymański: Badania zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic częstotliwości.
Przegląd Elektrotechniczny nr 2, 2000
[5]. E. Musiał: Zabezpieczenie silników zasilanych z po
ś
rednich przemienników cz
ę
stotliwo
ś
ci.
Biuletyn SEP INPE, 2004, nr 59-60
8. ZAGROśENIA
BEZPIECZEŃSTWA
W
INSTALACJACH
NAPĘDOWYCH Z NAPIĘCIOWYMI PRZEMIENNIKAMI
CZĘSTOTLIWOŚCI W SIECIACH IT
W górnictwie powszechnie stosuje się układ sieci zasilającej IT. Coraz
częściej występują teŜ napędy z silnikami asynchronicznymi zasilanymi
napięciowymi przemiennikami częstotliwości. Zwykle są to napędy zastępujące
dotychczas stosowane silniki prądu stałego w napędach jazdy maszyn
wydobywczych, czy silniki pierścieniowe w napędach powierzchniowych
przenośników
taśmowych.
Sieć
zasilająca
IT
stwarza
napięciowym
przemiennikom częstotliwości inne warunki pracy niŜ sieć TN-S.
-130-
8.1. PRZEMIENNIKI NAPIĘCIOWE ZASILANE SIECIAMI IT
Sieci IT do zasilania układów napędowych są stosowane w Polsce głównie w
górnictwie (rys. 8.1). W sieciach tych prądy zwarć doziemnych nie mają duŜych
wartości i moŜliwa jest praca przy doziemieniu jednej fazy napięcia zasilania - te cechy
zasadniczo odróŜniają ten system zasilania od systemu TN. Zasilanie wielosilnikowych
napędów jazdy maszyn górniczych jest związane z duŜymi wymaganiami
regulacyjnymi i niezawodnością napięciowych przemienników częstotliwości. Np.
zapewnienie synchronicznej pracy dwóch silników połączonych ze sztywnym wałem
napędowym jednej gąsienicy w koparce czy zwałowarce mającej kilka gąsienic,
wymaga specjalnych funkcji sterowniczych od przemienników. Instalacja ich zasilania
musi być dostosowana do pracy przemienników obciąŜonych momentem silnikowym
i generatorowym. Pokonanie momentu bezwładności J[Nm] w czasie przyśpieszania
maszyn powoduje konieczność znacznego przewymiarowania przemienników i
silników [Me=Mb+J(dω/dt)]. Waga gąsienicowych maszyn górnictwa odkrywkowego
zwykle przekracza 1000 ton. Jedna z największych koparek górniczych
wyprodukowana przez firmę niemiecką Krupp typu SCHRS4600 pracuje w KWB w
Bełchatowie i ma masę 7200 ton. Jej napęd jazdy jest zbudowany z 8 nieskrętnych i 6
skrętnych gąsienic umocowanych do sztywnej konstrukcji maszyny.
Długie linie kablowe układane na ziemi powodują, Ŝe sieć IT - 6kV cechuje się
duŜą indukcyjnością. Po obniŜeniu tego napięcia do wartości niskich np. 3x500V, z
jednego transformatora zasilane są odbiorniki o mocach rzędu megawatów.
L1
L2
L3
N
NPC
230V
24V
R
C
-
+
Rezystancyjne upływy
maszyn podł
ą
czonych
do sieci
AC/DC/AC
SA
Rys.8.1. Sie
ć
IT z układem monitorowania rezystancji izolacji
Moc jednej stacji zasilania z zespołami napędowymi powierzchniowych
przenośników taśmowych z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości osiąga
wartości do 2MW. DuŜe moce jednostkowe odbiorników przekształtnikowych mocno
wpływają na odkształcenia napięcia zasilania. Bezpośrednie przyłączanie lub
odłączanie w tej sieci odbiorników silnie indukcyjnych lub pojemnościowych (baterie
kompensacyjne)
takŜe
powoduje
duŜe
chwilowe
zniekształcenia
napięć
międzyfazowych (rys. 8.2). Zniekształcenia napięcia zasilania mogą powodować
doładowanie baterii kondensatorów obwodu pośredniego przemiennika do
niedozwolonej wartości napięcia stałego. Taki stan moŜe wystąpić wtedy, gdy
przemiennik jest dołączony do sieci zasilania a dołączony do niego silnik jest
zatrzymany. Tj. przy braku obciąŜenia przemiennika. Przemienniki zasilane z sieci o
duŜych chwilowych zniekształceniach napięcia naleŜy wyposaŜyć w obwody
szybkiego rozładowywania baterii kondensatorów np. przerywacze prądu (chopper)
-131-
obciąŜone rezystorami odpowiednio małej wartości i mocy, np. 10Ω/400W. Jeśli
przerywacze są dodatkowo wykorzystywane do rozpraszania energii, przesyłanej do
obwodu DC przemiennika w czasie pracy generatorowej silnika, np. przy jeździe z
góry maszyny gąsienicowej to trzeba zastosować rezystory większych mocy.
Rezystory chłodzone powietrzem, pracujące w cyklu T=300s, mogą rozpraszać moc
nominalną przemiennika przez 10%, 20% lub 40% czasu cyklu T. W przemiennikach
bez przerywaczy prądu moŜna zastosować podłączone na stałe rezystory
rozładowywania baterii DC do zacisków napięcia stałego prostownika o mocy ok.
100W. Rezystancja tego rezystora wynika z napięcia zasilania przemiennika.
U
d
=1.42U
L1
,
U
d
=1.42x500V=710V, R[Ω]=U
d
2
/P=710
2
/100=5kΩ
W przemiennikach większych mocy stosowane są 6-pulsowe półsterowane
mostki prostowników głównych. UmoŜliwia to blokowanie prostownika głównego na
czas wstępnego ładowania baterii kondensatorów DC przez niesterowany prostownik
wstępnego
ładowania
(rys. 8.3).
Takie
rozwiązanie
obwodu
wejściowego
przemiennika umoŜliwia blokowanie dopływu prądu do baterii kondensatorów, po
przekroczeniu dopuszczalnego napięcia baterii w czasie postoju silnika.
Przy uziemieniu filtru RFI (Radio Frequency Interference) obwodu pośredniego
przemiennika, znanego takŜe pod nazwą filtru EMC (Electro Magnetic Compatibility
Filtr) (rys. 8.3), nawet krótkotrwałe doziemienie jednej fazy napięcia zasilania
przemiennika, moŜe spowodować konieczność zablokowania przewodzenia prądu
przez prostownik główny. Np. przez zablokowanie tyrystorów w mostku prostownika
lub zastosowania innych rozwiązań uniemoŜliwiających narastanie napięcia w baterii
DC przemiennika. Zagadnienia te będą omówione precyzyjniej w dalszej części
artykułu.
U
1-2
,U
2-3
,U
1-3
- mi
ę
dzyfazowe napi
ę
cia
zasilania NPC
I
L1
- wej
ś
ciowy pr
ą
d fazowy NPC
Rys.8.2. Chwilowe odkształcenie przebiegów napi
ęć
mi
ę
dzyfazowych i pr
ą
du fazowego
napi
ę
ciowego przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci, zasilanego z sieci IT, w czasie zał
ą
czenia
kompensatora mocy biernej
Brak ochrony baterii DC przemiennika moŜe doprowadzić do uszkodzenia
obwodów mocy. Powstające w sieci zasilania odkształcenia napięcia często prowadzą
do wystąpienia niedopuszczalnej wartości napięcia na baterii kondensatorów stopnia
pośredniego przemiennika. W napędach maszyn górniczych przemienniki pracują
często w ekstremalnych warunkach środowiskowych, przy duŜym zapyleniu pyłem
węglowym, zawilgoceniu, wysokich temperaturach i duŜych drganiach maszyn, na
-132-
których umieszczone są kontenerowe stacje zasilania z przemiennikami. WaŜnym
zagadnieniem jest tutaj sposób rozwiązania chłodzenia przemienników, gdyŜ ogrzane
powietrze chłodzenia radiatorów przemienników częstotliwości nie moŜe być
ponownie skierowane do kontenera w którym są zainstalowane.
8.2. NIEUZIEMIONY FILTR RFI STOPNIA POŚREDNIEGO
PRZEMIENNIKA
NIE
OZNACZA
BRAKU
ZAGROśENIA
PORAśENIEM.
Instalacja zasilania napięciowych przemienników częstotliwości w sieciach IT
moŜe występować w dwóch podstawowych konfiguracjach. Z włączonym lub
wyłączonym uziemieniem filtru RFI stopnia pośredniego przemiennika (rys. 3).
R2
T1
D1
T1
T1
T2
D2
T3
D3
T4
D4
T5
D5
T6
D6
Udc
U
V
W
+
-
2 x Ld
C2
C1
R1
Sie
ć
IT
L1,L2L,3
Napi
ę
ciowy Przemiennik Cz
ę
stotliwo
ść
i - MSI
ś
redniej mocy
z ukł. rozładowania napi
ę
cia DC
Silnik
PE
C4
C3
R3
R4
C
clamp
R +
br
R -
br
Tr
br
Klucz RFI
Filtr RFI
P r o s t o w n i k
w s t
ę
p n e g o
ł a d o w a n i a
P r o s t o w n i k
G ł ó w n y
R=10om/400W
Rys.8.3. Instalacja zasilania z sieci typu IT napi
ę
ciowego przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci
w układzie nap
ę
du silnika klatkowego, z niewł
ą
czonym filtrem RFI stopnia po
ś
redniego
MoŜna przyjąć zasadę, Ŝe dla przemienników o mocy powyŜej 100kW naleŜy
zamknąć włącznik uziemienia filtru RFI w stopniu pośrednim, a w przemiennikach
mniejszych mocy i krótkich kablach silnika moŜe on być rozwarty.
Zakłócenia występujące w sieci zasilania przy wyłączonym uziemieniu filtru
RFI przemiennika średniej mocy prowadzą do uszkodzeń tych przemienników i
uniemoŜliwiają właściwą pracę innych urządzeń elektronicznych zainstalowanych w
pobliŜu. Na rys. 8.4 przedstawiono zarejestrowane w rzeczywistych warunkach
zakłócenia napięcia zasilania przemiennika z wyłączonym filtrem RFI, wskutek
prądów upływów pojemnościowych. Przeprowadzone przez autora badania
symulacyjne potwierdzają zaleŜność pomiędzy wielkością pojemności upływu a
amplitudą przepięć w napięciu zasilania (rys. 8.5).
Uziemienie filtru RFI moŜe prowadzić do wzrostu napięcia w obwodzie DC
przemiennika powyŜej dozwolonych wartości, które mogą doprowadzić do jego
uszkodzenia. W czasie doziemienia jednej fazy napięcia zasilania przemiennika,
napięcie w stopniu pośrednim moŜe osiągnąć wartość 2x U
dc
. Aby ograniczyć to
niebezpieczeństwo moŜna w sieciach IT z przemiennikami mniejszych mocy nie
uziemiać filtru RFI.
-133-
Jeśli przemiennik częstotliwości ma wyłączony filtr RFI (odłączony od
uziemienia) to nie oznacza to, Ŝe moŜna uznać zasilanie przemiennika jako separowane
względem ziemi. Doziemienie wyjściowego napięcia fazowego przemiennika
spowoduje przepływ zwiększonego wysokoczęstotliwościowego impulsowego prądu
upływów pojemnościowych od miejsca doziemienia przez transformator do wejść
mocy przemiennika. Takie doziemienie nie jest rejestrowane przez urządzenia kontroli
stanu izolacji sieci IT, zwanych izometrami, (rys. 8.1). Wartości tych prądów nie
spowodują teŜ zadziałania wewnętrznych zabezpieczeń przemiennika przed
doziemieniem. W przemiennikach małych mocy prądy doziemne na wyjściu
przemiennika powodujące ich zadziałanie mają wartości ok. 600mA.
Rys.8.4. Zmierzone przepi
ę
cia na zasilaniu napi
ę
ciowego przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci bez
uziemionego
filtru
RFI
(napi
ę
cia
mi
ę
dzyfazowe).
Przemiennik
napi
ę
ciowy
350kW/500V, ekranowany kabel silnika o długo
ś
ci ok. 50m
Rys.8.5. Przepi
ę
cia na zasilaniu napi
ę
ciowego przemiennika cz
ę
stotliwo
ś
ci bez wł
ą
czonego
uziemienia filtru RFI zasilanego sieci
ą
typu IT - 3x500V, uzyskane w symulacji przy
zało
Ŝ
eniu sprz
ęŜ
enia pojemno
ś
ciowego mi
ę
dzy wej
ś
ciem zasilania i wyj
ś
ciem mocy
przemiennika o warto
ś
ci 10nF
Filtr RFI obwodu pośredniego ma waŜną rolę przy tłumieniu zakłóceń
powodowanych pracą części falownikowej przemiennika częstotliwości. Nie naleŜy go
mylić wejściowym filtrem RFI, zwykle nie stosowanym w sieciach IT, z powodu
nieskutecznie filtrowanych zakłóceń wspólnych,(odłączone od uziomu kondensatory
C
y
). Kable silnikowe są zwykle ekranowane, np. z grupy kabli górniczych. Ekran kabla
jest zwykle dwustronnie uziemiony, jednak dla kabli dłuŜszych, powyŜej 50m, naleŜy
rozwaŜyć jednostronne uziemienie ekranu kabla tylko przy przemienniku
częstotliwości. Ekranowane kable silnikowe cechują się zwiększonymi prądami
upływu doziemnego w stosunku do kabli nieekranowanych. Przy ich większych
długościach i przekrojach, wzrastają zakłócenia powodujące przepięcia napięcia
zasilania, dlatego w przemiennikach większych mocy istnieje konieczność włączenia
filtru RFI. Częstotliwość przepięć napięcia zasilania wynika z częstotliwości
U
L1
U
L2
U
L1
U
L1
U
L2
U
L3
-134-
przełączania tranzystorów IGBT falownika przemiennika częstotliwości i zwykle w
przemiennikach napędowych wynosi 3-4.5kHz.
8.3. WŁĄCZONY
FILTR
RFI
STOPNIA
POŚREDNIEGO
PRZEMIENNIKA
TO
ZWIĘKSZONE
ZAGROśENIE
PORAśENIOWE.
Włączenie filtru RFI stopnia pośredniego praktycznie eliminuje zakłócenia
zasilania powodowane upływami pojemnościowymi. Tym samym poprawia się EMC
(Electro Magnetic Capability) w otoczeniu instalacji napędu przemiennikowego,
(rys. 8.6).
Przy załączonym filtrze RFI potencjał punktu zwarcia uzwojeń stojana silnika
ma wartość średnią równą potencjałowi ziemi. Jednak chwilowe napięcie między
uziomem a zwartymi uzwojeniami silnika ma przebieg fali prostokątnej o amplitudzie
równej połowie napięcia U
dc
, (rys 8.7).
Stosowane powszechnie izolowanie łoŜysk silnika nie zmniejsza impulsowego
prądu upływu doziemnego powstającego wskutek tego napięcia. Izolowanie łoŜyska
uniemoŜliwia przepływ prądów wyładowczych EDM
(
Electric Discharge Machining
)
między bieŜniami łoŜyska nie dopuszczając do jego przyśpieszonego zuŜycia.
Wyjściowe napięcie fazowe przemiennika, ma charakter fali prostokątnej a
szerokość impulsów zaleŜy od wartości częstotliwości harmonicznej podstawowej tego
napięcia. Wystąpienie doziemiena na zasilaniu silnika spowoduje przepływ
impulsowego prądu zwarciowego przedstawionego na rys. 6.
W typowych warunkach eksploatacji przemienników napięcia te nie stanowią
zagroŜenia dla uŜytkownika, gdyŜ są to miejsca instalacji, które są niedostępne bez
usunięcia zabezpieczeń zewnętrznych, czyli uziemionych obudów urządzeń.
R2
T1
D1
T1
T1
T2
D2
T3
D3
T4
D4
T5
D5
T6
D6
Udc
U
V
W
+
-
2 x Ld
C2
C1
R1
Sie
ć
IT
L1,L2,L3
Napi
ę
ciowy Przemiennik Cz
ę
stotliwo
ść
i - MSI
Silnik
PE
C4
C3
R3
R4
RFI
Rys.8.6. Przy wł
ą
czonym filtrze RFI, pełne zwarcie doziemne silnika powoduje przepływ pr
ą
du
impulsowego w p
ę
tli zwarcia, co powinno spowodowa
ć
zadziałanie wewn
ę
trznych
zabezpiecze
ń
przemiennika, zatrzymanie pracy falownika i pozostawienie silnika w
stanie beznapi
ę
ciowym (hamowanie wybiegiem)
AM1.I [A]
t [s]
2k
-2k
0
-1k
-0.5k
0.5k
1k
75m
80m
76m
77m
78m
79m
-135-
Vm.V [V]
t [s]
0.4k
-0.4k
0
-0.2k
0.2k
70m
80m
72m
74m
76m
78m
Vo.V [V]
t [s]
0.4k
-0.4k
0
-0.2k
0.2k
70m
80m
72m
74m
76m
78m
Rys.8.7. Napi
ę
cie mi
ę
dzy uziemieniem a miejscem zwarcia uzwoje
ń
stojana silnika – Vm[V]
oraz mi
ę
dzy uziemieniem i wyj
ś
ciem mocy przemiennika – Vo[V]. Cz
ę
stotliwo
ść
harmonicznej podstawowej napi
ę
cia silnika wynosi 50Hz, modulacja PWM, przy
napi
ę
ciu mi
ę
dzyfazowym zasilania przemiennika U
L1-L2
=500V.
Przy wystąpieniu doziemienia po stronie silnika w pętli zwarcia występuje
przewodzący w danej chwili tranzystor IGBT falownika i kondensator filtru RFI,
rys. 6. Prąd zwarciowy ograniczony jest jedynie impedancją kondensatora filtru RFI
dla częstotliwości przełączania kluczy falownika f
p
. Przy typowych wartościach
kondensatorów filtru RFI: C3=C4=0.15µF, prądy zwarciowe mogą osiągnąć wartość
skuteczną do kilku amperów. Układ ochrony przemiennika powinien go wykryć i
spowodować zablokowanie tranzystorów mocy falownika. Przemienniki większych
mocy mogą jednak nie rozpoznawać tego doziemienia ze względu na relatywnie małą
wartość prądu doziemnego w stosunku do prądu nominalnego przemiennika.
Z przeprowadzonej analizy wynika, ze skutecznym środkiem ochrony
przeciwporaŜeniowej jest poprawne wykonanie uziemień ochronnych obudowy
przemiennika i silnika, gdyŜ inne zabezpieczenia mogą okazać się nieskuteczne. W
zespołach napędowych większych mocy poziom zakłóceń wzrasta proporcjonalnie do
ilości zastosowanych przemienników, dlatego włączanie filtru RFI obwodu
pośredniego ma podstawowe znaczenie dla właściwej pracy instalacji (rys. 8.8).
-136-
NPC
NPC
NPC
1
i
n
C
pt
R
pt
L
pt
C
C
C
p0a
p0b
p0c
L
L
L
p1a
p1b
p1c
L
pi
L
pn
C
p1
C
p1m
R
p1m
L
p1m
C
pi
C
pim
R
pim
L
pim
C
yic
R
ps
L
ps
C
pn
C
pnm
R
pnm
L
pnm
Izolowany podwójnie
Rpv, Lpv, Cpv - elementy paso
Ŝ
ytnicze: rezystancje, indukcyjno
ś
ci i pojemno
ś
ci;
NPC - napi
ę
ciowy przemiennik cz
ę
stotliwo
ś
ci
Tr 6kV/0.5kV
Rys.8.8. Miejsca
rozpływu
pr
ą
dów
upływów
pojemno
ś
ciowych
w
stacji
zasilania
wielosilnikowego nap
ę
du z przemiennikami zasilanych jednym transformatorem z sieci
IT
8.4. WŁĄCZONY
FILTR
RFI
STOPNIA
POŚREDNIEGO
PRZEMIENNIKA
TO
ZAGROśENIE
USZKODZENIA
PRZEMIENNIKA
PRZY
DOZIEMIENIU
FAZY
NAPIĘCIA
ZASILANIA
Przy włączonym filtrze RFI obwodu pośredniego istnieje niebezpieczeństwo
uszkodzenia napięciowego przemiennika częstotliwości, gdy wystąpi doziemienie na
jego zasilaniu.
PoniewaŜ pojedyncze doziemienie instalacji zasilania nie stwarza zagroŜenia
przeciwporaŜeniowego, a dla zmniejszenia strat gospodarczych często waŜne jest, aby
przerwa w zasilaniu wydzielonego zespołu maszyn, nastąpiła w sposób kontrolowany.
Dalsze działania z wykrytym doziemeiniem są uzaleŜnione od wewnętrznych instrukcji
zakładowych.
Doziemienie fazy napięcia zasilania zwykle występuje, gdy z transformatora
zasilającego przemiennik takŜe zasilane są inne odbiorniki, np. zwalniaki silników
(rys. 8.9). Doziemienie na zasilaniu jest szczególnie niebezpieczne dla przemiennika
jeśli występuje w chwili podania napięcia na jego obwód mocy. W momencie zasilenia
przemiennik jest nieobciąŜony, a zabezpieczenia elektroniczne przemiennika przed
nadmiernym napięciem baterii kondensatorów obwodu pośredniego nie są jeszcze
aktywne.
-137-
R2
T1
D1
T1
T1
T2
D2
T3
D3
T4
D4
T5
D5
T6
D6
Udc
U
V
W
-
2 x Ld
C2
C1
R1
Sie
ć
IT
L1,L2,L3
Napi
ę
ciowy Przemiennik Cz
ę
stotliwo
ś
ci - MSI
Silnik B
PE
C4
C3
R3
R4
RFI
Silnik A
Filtr RFI
Bateria DC
Rys.8.9. Doziemienie napi
ę
cia fazowego zasilania przemiennika poprzez zał
ą
czenie silnika A z
uszkodzon
ą
izolacj
ą
mi
ę
dzy uzwojeniem fazowym a uziemionym korpusem silnika
Jeśli przemiennik jest nieobciąŜony, to doziemienie fazy zasilania moŜe
spowodować wzrost maksymalnego napięcia na kondensatorach filtru RFI (C3, C4) do
wartości napięcia baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika U
dc
. W
konsekwencji to moŜe doprowadzić do naładowania baterii elektrolitycznych
kondensatorów DC (C1, C2) do wartości dwukrotnie wyŜszej od normalnych
warunków pracy przemiennika. W takiej sytuacji nastąpi przekroczenie dopuszczalnej
wartości napięcia dla stopnia pośredniego przemiennika i uszkodzenie falownika lub
baterii kondensatorów. Przebieg napięcia na kondensatorach filtru FRI C3 i C4 oraz na
baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika przy doziemieniu napięcia
fazowego przedstawia rys. 8.10. Powstaje efekt pompowania energii przez
kondensatory filtru RFI do baterii kondensatorów. Szybkość narastania napięcia na
baterii kondensatorów DC przemiennika zaleŜy pojemności baterii i pojemności
kondensatora filtru RFI. W przeprowadzonej symulacji napięcie baterii kondensatorów
elektrolitycznych w obwodzie DC (pojemność 600µF) nieobciąŜonego przemiennika,
zasilanego napięciem 3x500V, osiągnęło 0.9kV po 10 okresach napięcia zasilania
(C3=C4=15 µF). Na podstawie danych z symulacji moŜna wyliczyć, Ŝe napięcie baterii
przemiennika małej mocy (C
DC
=600µF, C
3,4
=0.15µF) osiągnie wartość 900V po 20
sekundach. To samo napięcie wystąpi na baterii kondensatorów przemiennika o mocy
150kW, z pojemnością baterii DC 36mF i pojemnością kondensatora filtru RFI 0.15µF,
po czasie. 20min. od podania napięcia na obwód mocy. Z obliczeń wynika, Ŝe
przemienniki małej mocy naraŜone na szybki wzrost napięcia baterii kondensatorów
obwodu DC ponad dozwoloną wartość przy doziemieniu napięcia fazowego. MoŜe to
prowadzić do ich zwiększonej awaryjności, dlatego nieuziemianie filtru RFI obwodu
pośredniego jest tu uzasadnione.
-138-
C.V [V]
C3.V [V]
C4.V [V]
t [s]
0.9k
0
0.2k
0.4k
0.6k
0.8k
0
0.1
20m
40m
60m
80m
C.V [V]
C3.V [V]
C4.V [V]
t [s]
0.9k
0
0.2k
0.4k
0.6k
0.8k
0
0.1
20m
40m
60m
80m
Rys.8.10. Symulacja przebiegu napi
ę
cia baterii kondensatorów stopnia DC, o pojemno
ś
ci
600
µ
F, nieobci
ąŜ
onego przemiennika zasilanego z sieci IT 3x500V, przy pełnym
doziemieniu fazy napi
ę
cia zasilania i wł
ą
czonym filtrze RFI, dla C3=C4=15
µ
F.
Odpowiednio dla przemiennika nieobci
ąŜ
onego i obci
ąŜ
onego
Włączenie odpowiednio duŜego obciąŜenia przemiennika powoduje szybkie
rozładowywanie nadmiarowej energii dostarczanej do baterii kondensatorów z
pojemności filtru RFI i nie następuje efekt wzrostu napięcia baterii przy doziemieniu
napięcia fazowego zasilania przemiennika. Dla ograniczenia wpływu doziemień na
zasilaniu przemiennika moŜna stosować róŜne metody rozładowywania baterii DC,
jeśli jej napięcie przekroczy dopuszczalną wartość. W tym celu moŜna wykorzystać
przerywacz prądu przemiennika. Jeśli nie jest on stosowany do wytracania energii w
czasie hamowania generatorowego silnika, to wystarczy do niego dołączyć rezystor:
20kΩ/24W dla C
RFI
=0,15uF i U
L1-L2
=500V [
Z
C
=
1/
ω
C
3
, gdy
Z
C
=R, to
P
R
=(U
dc
)
2
/R, gdzie U
dc
=1,73x1.42xU
f
]. Jeśli tak mały rezystor nie jest właściwie
identyfikowany jako obciąŜenie przerywacza przemienników większych mocy, to
moŜna powiększyć i zastosować np. 10Ω/400W. W innym przypadku moŜna ten
rezystor dołączyć na stałe do zacisków wyjściowych prostownika, kosztem sprawności
przemiennika . MoŜna teŜ uaktywnić w przemienniku funkcje podgrzewania silnika
prądem stałym w czasie jego postoju, co powoduje rozładowywanie baterii DC
przemiennika. Jeśli dostępna jest moŜliwość blokowania przepływu prądu przez
wejściowy prostownik- główny, to naleŜy zablokować przewodzenie prądu w
prostowniku powyŜej określonej wartości napięcia w obwodzie CD przy
nieobciąŜonym przemienniku, czyli na postoju silnika.
8.5. WSPÓLNA SIEĆ NAPIĘCIA STAŁEGO PRZEMIENNIKÓW
NAPIĘCIOWYCH
W wielosilnikowych układach napędowych z przemiennikami częstotliwości
często istnieje potrzeba zastosowania połączenia obwodów stałonapięciowych
przemienników częstotliwości. Takie rozwiązanie moŜe być stosowane dla napędu
dwusilnikowego o duŜych momentach bezwładności, gdy w tym samym czasie wał
napędowy jednego silnika jest hamowany, a drugiego rozpędzany. Wówczas jeden
silnik wytwarza moment silnikowy M
e
, a drugi moment generatorowy M
g
. (rys.8.11).
-139-
Między przemiennikami częstotliwości z połączonymi obwodami stałonapięciowymi
następuje wymiana energii (load sharing), co prowadzi do odzysku energii silnika
pracującego generatorowo.
Przemienniki
cz
ę
stotliwo
ś
ci
Silniki
Sterownik
PLC
3 x500V
Panel
operatorski
Enkodery
NPC
UB
MA
MB
NPC
UA
Siec DC
Me
Mb J(dv/dt)
Waly napedowe
Mg
Mb
J(dv/dt)
Rys.8.11. Przykładowa realizacja dwusilnikowego nap
ę
du z przemiennikami napi
ę
ciowymi
o poł
ą
czonych obwodach stałonapi
ę
ciowych. Silnik MA hamuje jeden wał nap
ę
dowy, a
silnik MB rozp
ę
dza drugi wał nap
ę
dowy maszyny. Hamowanie i rozruch wałów
nap
ę
dowych rozpoczynaj
ą
si
ę
w tym samym czasie
Przy braku takiej sieci konieczne byłoby zastosowanie przerywacza prądu i
wytracenia tej energii na rezystorze hamowania. W napędach wchodzących często w
tryb pracy generatorowej stosowane są układy przetwarzania energii napięcia stałego
obwodu pośredniego przemiennika na napięcie przemienne i jej zwrot do sieci
zasilania.
Zastosowanie układu wspólnej sieci DC przemienników nie jest rozwiązaniem
kosztownym, a zapewnia poprawną pracę przemienników w sieci IT przy
występowaniu omawianych zakłóceń. W grupie kilku przemienników połączonych
siecią DC wystarczy jeden przemiennik z przerywaczem prądu i rezystorem
rozładowczym np. 10Ω/400W, aby wyeliminować niebezpieczeństwo ich uszkodzeń z
powodu doziemień zasilania lub przepięć. ZagroŜenia poprawnej pracy przemienników
napięciowych zostają praktycznie wyeliminowane przy zastosowaniu rozwiązań
przedstawionych w opracowaniu. Podobne trzeba postępować w przypadku zasilania
przemienników napięciowych z sieci TT.
NaleŜy zaznaczyć, Ŝe zagadnienia EMC ujęte w normach dotyczą sieci TN.
Jednak praktyczne doświadczenia autora i przeprowadzona analiza potwierdzają, Ŝe
filtr RFI obwodu pośredniego przemiennika napięciowego jest tak samo skuteczny w
sieciach IT. Przy pracy przemienników częstotliwości z odłączonym filtrem RFI
obwodu pośredniego naleŜy dodatkowo rozwaŜyć czy zachowane jest zasilanie typu
PELV w obwodach sterowania przemiennika częstotliwości. W opracowaniu nie
omawiano wpływu wejściowego filtru RFI na pracę przemiennika, gdyŜ zwykle nie
jest on stosowany w układzie sieciowym IT. Jeśli jednak przemiennik jest w taki filtr
wyposaŜony to tylko poprawia on EMC powodując jednak zwiększenie prądów
upływu na zasilaniu przemiennika. Jest to interpretowane przez izometry (Isolation
Monitoring Devices) jako zmniejszenie rezystancji izolacji. Ponadto jest ryzyko
-140-
uszkodzenia kondensatorów Cy tego filtru przy doziemieniu napięcia fazowego
zasilania. Z tych powodów często trzeba te filtry odłączyć od uziemienia.
8.6. PODSUMOWANIE
Intensywny rozwój nowoczesnych układów napędowych ma duŜy wpływ na
gospodarkę krajów rozwiniętych. Wpływ ten stale się zwiększa, dając przy tym
znaczne oszczędności związane z zapotrzebowaniem na energię elektryczną.
Istotnym staje się więc znajomość projektowania i wykonywania układów
napędowych zgodnie z wymogami międzynarodowych norm dotyczących
kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Umiejętność konstruowania nowych,
coraz doskonalszych układów napędowych, prowadzi do zmniejszenia uciąŜliwości
ich stosowania, a tym samym do coraz szerszego ich uŜytkowania.
Wymagania dotyczące uzyskania przez układ napędowy odpowiedniego
poziomu kompatybilności elektromagnetycznej, wpływają na zwiększenie kosztów
układu, naleŜy jednak pamiętać, Ŝe koszty te są duŜo mniejsze w fazie projektu niŜ
jako późniejsze zmiany w gotowym układzie.
Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej są istotne zarówno dla
małych, jak i duŜych firm, zwłaszcza przy wprowadzaniu nowych przemienników
do układów napędowych. Aby sprostać konkurencji, muszą one spełniać wiele
wymagań, w tym takŜe związanych z EMC. Te ostatnie nabierają coraz większego
znaczenia, poniewaŜ występują jako wymagania obligatoryjne w dyrektywach Unii
Europejskiej.
Układy
napędowe
zaprojektowane
i
skonfigurowane
bez
uwzględnienia postanowień norm światowych (IEC, EN) omówionych w niniejszej
pracy, nie będą miały w przyszłości Ŝadnych szans zbytu zarówno w Unii
Europejskiej, jak i w innych krajach rozwiniętych.
W początkowej części pracy opisano zasady budowy przemiennikowego
układu napędowego, zgodnego z wymogami EMC. Omówione zostały równieŜ
parametry sieci zasilającej i ich wpływ na układ napędowy, jak teŜ główne
przyczyny pogarszania współpracy układu: sieć zasilająca – przemiennik
częstotliwości – silnik. Jako sposoby niwelowania negatywnych czynników tej
współpracy, opisane zostały przykładowe układy zmniejszania negatywnego
oddziaływania odbiorników na sieć. W dalszej części pracy został omówiony układ
wykorzystujący filtr LC, do uzyskania sinusoidalnego napięcia silnika zasilanego z
przemiennika częstotliwości PWM. Przeprowadzone badania na rzeczywistym
układzie: przemiennik częstotliwości – filtr LC – silnik, potwierdziły słuszność
stosowania filtrów LC do uzyskania sinusoidalnego napięcia zasilania silnika.
Kolejne
rozdziały
opracowania
zostały
poświęcone
napięciowym
przemiennikom częstotliwości PWM o ulepszonej współpracy z silnikiem. Po
porównaniu własności przemienników o stałej, jak teŜ regulowanej wartości
napięcia stałego w obwodzie pośrednim, zostały przedstawione korzyści z
zastosowania rozwiązania z regulowanym napięciem w obwodzie pośrednim.
Przedstawiono równieŜ koncepcję wykorzystania trapezowego impulsu sterowania
zaworów falownika, dającą dodatkowe ograniczenie wartości du/dt i U
p
.
-141-
Zaproponowane rozwiązania umoŜliwiają pracę silnika przy zmniejszonej
zawartości wyŜszych harmonicznych w napięciu zasilania. Końcowa część
opracowania została poświęcona modelowaniu układu wejściowego przemiennika
częstotliwości w oprogramowaniu SIMPLORER. Z uwagi na ograniczoną ilość
elementów, wersji demo, nie moŜliwa była symulacja pełnego układu
przemiennika. Symulacja została ograniczona do zbadania wpływu wartości
parametrów filtru LC, na wyjściu trójfazowego prostownika diodowego, na
tłumienność amplitudy pulsacji napięcia i prądu wyjściowego prostownika.
ObciąŜenie rezystancyjne filtra LC obwodu pośredniego symuluje pracę falownika.
Opracowanie zawiera wnioski i zalecenia do budowy układów napędowych z
przemysłowymi
przemiennikami
napięciowymi
zapewniającymi
spełnienie
wymagań EMC w stosunku do sieci zasilania jak i silnika.
Nowe propozycje budowy układu mocy przemiennika z regulowanym
napięciem obwodu pośredniego moŜe stać się w przyszłości powszechnie
stosowanym
rozwiązaniem
w
napędach
o
ograniczonych
wymaganiach
dynamicznych.
8.7. LITERATURA DO ROZDZIAŁU
[1]. J.Szymański:
Bezpieczeństwo
uŜytkowania
instalacji
przemysłowych
z
napięciowymi przemiennikami częstotliwości. ElektroInfo 10/2006
[2]. J. Szymański: Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe
przemienników częstotliwości. Politechnika Radomska, Prace Naukowe Elektryka nr
2(8),2005
[3]. J. Szymański:
Ochrona
przeciwporaŜeniowa
instalacji
napędowych
z
napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV.
Komel’2004 – XIII Seminarium Techniczne. Problemy Eksploatacji Maszyn i
Napędów Elektrycznych. Ustroń, 19-21.V.2004
[4]. A. Kępski, B. Smoleński: Prądy łoŜyskowe w układach napędowych z
falownikami PWM. Napędy i Sterowanie nr 12/2006
[5]. S. Ogasawara, H. Akagi: Modeling and Damping of High-Frequency Leakage
Current in PWM Inverter-Fed AC Motor Drive Systems. IEEE Trans. Ind. Applicat.,
vol. 32, pp. 1105-1114, Sep. 1996
[6]. K. Bimalk Bose: Modern power electronics and ac drives. Prentice Hall PTR 2002
-142-
9. BIBIOGRAFIA UZUPEŁNIAJĄCA
[1 ] Winter R.: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów elektrycznych z przekształtnikami
częstotliwości. Napędy i Sterowanie 1999.
[2 ] Koczara W.: Metody i układy ograniczenia negatywnego oddziaływania napędu na sieć i na inne
odbiorniki. Materiały konferencyjne ONS’95, Listopad 1995.
[5 ] Winter R.: Ograniczenie emisji zakłóceń elektromagnetycznych w napędach z przekształtnikiem
częstotliwości. Napędy Przemysłowe NP’99.
[6 ] Kowalski Z.: Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i UŜytkowanie Energii
Elektrycznej 1995.
[7 ] Pierzgalski W.: Diagnostyka odkształceń przebiegów napięć i prądów w sieciach elektroenergetycznych
niskiego i średniego napięcia. Napędy i Sterowanie – Elektroinstalacje Gdańsk 2000.
[8 ] Nowak M.: Jakość energii elektrycznej – problem dla energoelektroniki przełomu stuleci. Napędy i
Sterowanie 1999.
[9 ] Sroka J.: Zasady projektowania, budowy i montaŜu urządzeń, oraz systemów przemysłowych
przyjaznych kompatybilności elektromagnetycznej. Kompatybilność Elektromagnetyczna w Przemyśle.
Warszawa 08.06.2000.
[10 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym
zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP’99.
[11] Strzelecki R., Supronowicz H.: Kompensacja wyŜszych harmonicznych prądów w układzie
hybrydowym złoŜonym z filtrów biernych. Przegląd elektroenergetyczny 1998.
[12] Borowski W.: Poprawa jakości energii elektrycznej. Wiadomości Elektrotechniczne nr 12/788 1999.
[13] Gmyrek Z., Jabłoński M.: Układy zmniejszające oddziaływanie prostownika wejściowego falownika
MSI na sieć zasilającą. SENE’99.
[14] Mitew E., Szymański J.: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem.
SENE’99.
[15] Szymański J.: Napięciowe przemienniki częstotliwości PWM z regulowanym napięciem w obwodzie
pośrednim. Politechnika Radomska, ZMiUE 2000.
[16] Koczara W., Seliga R.: Układ regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego
zasilanego z falownika wytwarzającego napięcie sinusoidalne. SENE’99.
[17 ] Mosiński F.: Wzrost naraŜeń napięciowych w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników.
Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna SEP Łódź 7-8.05.98.
[18 ] Materiały dostępne w internecie na stronie http://www.simplorer.com.
[19 ] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inŜyniera energoelektronika. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne
Warszawa.
[20 ] Minksztym T.: Optymalne sterowanie ruchem w zastosowaniach przemysłowych. Seria przetwornic
częstotliwości VLT 5000 ze sterownikiem ruchu SyncPos. PAR nr.3/2000.
[21 ] Szymański J.: Minimalizacja strat tranzystorów mocy w układzie falownika napięcia o stałej
częstotliwości wyjściowej. Rozprawa Doktorska Politechnika Warszawska 1987.
[22 ] Szymański J.: A method and control system for the three-phase asynchronic motor. Patent nr
PL275748.
[23 ] Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne
Warszawa.
[24 ] Przetwornice częstotliwości VLT 5000 Dokumentacja Techniczno Rozruchowa firmy Danfoss.
[25 ] Szymański J.: Harmoniczne prądu w sieciach zasilania.
[26 ] Harmonics, No.: MN.90.F1.02 – Danfoss A/S.
[27 ] Projekt celowy nr 10 T12 022 2000 C/5273 „Modernizacja układu jezdnego koparek eksploatowanych
w kopalniach węgla brunatnego (serii SRs 1200) – 2001.06.18
[28 ] Szymański J.: Zdalna transmisja danych i sterowanie w czasie rzeczywistym napędów z
przemiennikami częstotliwości firmy Danfoss. Napędy i Sterowanie - 4/2001.
[29 ] Szymański J.: Modernizacja układu jezdnego zwałowarek i koperek w kopalniach węgla brunatnego z
zastosowaniem silników klatkowych zasilanych przemiennikami częstotliwości. V konferencja
“Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu – TransComp”
– Zakopane 5-
7.12.2001.
[30 ] LoadSharingvlt5000_MI50N202 – Opracowanie wewnętrzne f. Danfoss.
[31 ] Hansen S.: New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss
Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000.
-143-
[32 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym
zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP’99.
[33 ] Białas A.: Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne,
opublikowane w miesięczniku Elektrosystemy, 2002.
[34] Hansen S. i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives,
Danfoss Drives A/S – 2002.
[35 ] Hansen S. i inni: Simple and advanced methods for calculating Six-Pulse diode rectifier line-side
harmonics. Danfoss Drives A/S – 2002.
[36 ] Szymański J.: Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic
częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny 2/2000.
[37 ] Michalski A., Szczucki F. i inni: Ochrona przeciwporaŜeniowa przed dotykiem pośrednim w układach
energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne.
[38 ] Pastuszka R., Trajdos M.: Jakie kable lubią falowniki? Materiały techniczne – HELUKABEL 2003 –
www.helukabel.pl
[39 ] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. (Wyszukiwanie norm:
http://www.pkn.com.pl).
[40 ] The Danfoss Harmonic Filter AHF 005 and AHF 010.
[41 ] Szymański J. Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników
częstotliwości. Konferencja Naukowo Techniczna TRANSCOMP, Zakopane, Grudzień-2003, PRACE
NAUKOWE ELEKTRYKA NR 1(6) 2003 – PR.